Rydberg Excitons in External Fields

• Applicant: Professor Dr. Jörg Main
• Subject Area: Theoretical Condensed Matter Physics
• Term: from 2017 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 386114750

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Die Zielsetzung des Projekts beinhaltete die systematische theoretische Untersuchung der Eigenschaften von Exzitonen in einem Festkörper wie Kupferoxydul. Im Fokus stand hierbei die kombinierte Wechselwirkung der Exzitonen mit dem Valenzband, Licht, Phononen und äußeren elektrischen und magnetischen Feldern. Die Ergebnisse der theoretischen Berechnungen sollten mit experimentellen Resultaten insbesondere der Arbeitsgruppe von Prof. Manfred Bayer an der TU Dortmund im Detail verglichen werden, um so Anregungsenergien und externe Felder zu kalibrieren, Materialkonstanten des Festkörpers präzise zu bestimmen und die Auswirkungen von Symmetriebrechungen im Kristall durch die Gitterstruktur und durch äußere Felder zu analysieren und interpretieren. Die theoretischen Untersuchungen basieren methodisch auf einem in den Grundzügen bereits in den Vorarbeiten entwickelten numerischen Algorithmus zur Berechnung der Exzitonzustände durch Diagonalisierung des Hamiltonoperators in einer vollständigen Basis unter Verwendung Coulomb-Sturmscher Funktionen für den Radialteil der Wellenfunktionen. In diesem Projekt wurde der Algorithmus erweitert hinsichtlich (a) der Berechnung von Exzitonen in kombinierten magnetischen und elektrischen Feldern, (b) der Berechnung von Autoionisationsspektren mittels der Methode der komplexen Koordinatenrotation und (c) der Berechnung von second harmonic generation (SHG) Spektren in Kupferoxydul. Die erzielten Ergebnisse umfassen (a) Untersuchungen des Magneto-Stark-Effektes der gelben Exzitonserie, (b) die Berechnung autoionisierender Rydberg-Exzitonen in elektrischen und magnetischen Feldern, (c) die Berechnung der Resonanzpositionen und Lebensdauern der grünen Exzitonen und Simulation der Absorptionsspektren, (d) Untersuchungen zu interseries Dipolübergängen zwischen gelben und grünen Exzitonen, (e) theoretische Simulationen zu SHG Spektroskopie für Kupferoxydul in magnetischen Feldern, (f) die detaillierte Untersuchung der Austauschwechselwirkung in der gelben Exzitonserie, (g) der Analyse der Feinstruktur der D-Exzitonen in Kupferoxydul und (h) erste klassische und semiklassische Ansätze zur Beschreibung von Rydberg-Exzitonen in Kupferoxydul. Die erzielten Ergebnisse tragen wesentlich zu einem tieferen Verständnis der Physik von Rydberg-Exzitonen in äußeren Feldern bei.

Publications

• Theory of excitons in cuprous oxide. Dissertation, Universität Stuttgart, 2017
  F. Schweiner
  
• Magneto-Stark-effect of yellow excitons in cuprous oxide. Physical Review B 98, 085206 (2018)
  P. Rommel, F. Schweiner, J. Main, J. Heckötter, M. Freitag, D. Fröhlich, K. Lehninger, M. Aßmann, M. Bayer
  
• Green exciton series in cuprous oxide. Physical Review B 101, 075208 (2020)
  P. Rommel, P. Zielinski, J. Main
  
• Rydberg excitons in electric and magnetic fields obtained with the complex-coordinate-rotation method. Journal of Physics B 53, 054004 (2020)
  P. Zielinski, P. Rommel, F. Schweiner, J. Main
  
• Second harmonic generation of cuprous oxide in magnetic fields. Physical Review B 101, 115202 (2020)
  P. Rommel, J. Main, A. Farenbruch, J. Mund, D. Fröhlich, D. R. Yakovlev, M. Bayer, Ch. Uihlein
  
• Exchange interaction in the yellow exciton series of cuprous oxide. Physical Review B 103, 075202 (2021)
  P. Rommel, J. Main, A. Farenbruch, D. R. Yakovlev, M. Bayer
  
• Interseries dipole transitions from yellow to green excitons in cuprous oxide. Physical Review B 104, 085204 (2021)
  P. Rommel, J. Main, S. O. Krüger, S. Scheel