Dynamik nichtklassischer Phononzustände in optisch angeregten Halbleiterstrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde untersucht, wie Phononen in unterschiedlichen Halbleitersystemen erzeugt werden und welche Unschärfeeigenschaften die erzeugten Phononzustände haben. Eines der untersuchten Systeme war ein Halbleiter-Quantenpunkt, der durch kurze Laserpulse angeregt wird. Im Grenzfall sehr kurzer Pulse konnte die Dynamik des gekoppelten Elektron-Phonon- Systems analytisch exakt berechnet werden. Nach einer Anregung mit einem einzelnen Puls entsteht ein Phononzustand, der ein statistisches Gemisch aus kohärenten Zuständen ist. Die Unschärfen in diesem Zustand sind daher niemals kleiner als im Grundzustand, ein gequetschter Zustand kann also so nicht erreicht werden. Dennoch oszilliert die Unschärfe der Gitterauslenkung mit der doppelten Phononfrequenz; ein solches Verhalten galt bisher als Zeichen für einen gequetschten Zustand. Wird der Quantenpunkt mit zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen angeregt, können auch gequetschte Zustände entstehen. Unsere Berechnungen zeigen, wie die relative Phase und der Abstand zwischen den Pulsen gewählt werden müssen um einen gequetschten Zustand zu erreichen. Betrachtet man wieder das zeitliche Verhalten der Unschärfen, so zeigt sich, dass eine Oszillation mit der doppelten Phononfrequenz zwar mit der Stärke des Quetschens korreliert ist, aber dennoch auch in nicht gequetschten Zuständen vorkommt. In einem Quantenfilm gibt es wesentlich mehr elektronische Zustände und die Simulation der Dynamik ist daher mit größerem Aufwand verbunden. Wir haben die Korrelationsentwicklung verwendet um numerisch zu berechnen, wie der Quantenfilm auf optische Anregung reagiert. Unser mikroskopisches Modell reproduziert die üblichen Generationsmechanismen für kohärente Phononen wie ISRS und DECP, die gewöhnlich durch eine effektive direkte Kopplung der Phononen an das Lichtfeld des Lasers beschrieben werden. Es beschreibt aber auch erfolgreich Experimente, in denen gezielt eine Quantenschwebung angeregt wird, um kohärente Phononen resonant zu treiben. Dort spielt die Eigendynamik der Elektronen eine wichtige Rolle, sodass eine effektive direkte Kopplung die beobachtete starke Phonongeneration nicht erklären kann. Unsere Rechnungen zeigen, dass bei der resonanten Generation zwar sehr effektiv kohärente Phononen erzeugt werden, die Zahl der erzeugten inkohärenten Phononen aber dennoch weit überwiegt. Durch diesen Mechanismus können daher nur Phononzustände mit einer großen Unschärfe erreicht werden. Phononen können nicht nur durch das elektronische Teilsystem erzeugt werden, sondern auch aus dem Zerfall anderer Phononen entstehen. Besonders interessant ist hier der Zerfall von kohärenten longitudinal-optischen (LO) Phononen in je zwei longitudinal-akustische (LA) Phononen, da ein analoger Prozess, die parameterische Fluoreszenz, in der Quantenoptik zur Erzeugung gequetschter Lichtzustände verwendet wird. Mit unseren quantenkinetischen Rechnungen haben wir den Fall simuliert, dass optisch abrupt kohärente LO-Phononen erzeugt werden, die dann zerfallen. Sowohl im Volumenhalbleiter als auch im Quantenpunkt entsteht praktisch instantan ein LA-Phonon-Zustand, der in Bezug auf die Gitterauslenkung gequetscht ist und dessen Unschärfe mit der doppelten LA-Frequenz oszilliert. Auf der Skala der LO-Zerfallszeit wächst die Unschärfe, bis der Zustand nicht mehr gequetscht ist. Im Quantenpunkt bleibt das Quetschen auf die unmittelbare Umgebung des Quantenpunkts beschränkt und verlässt diesen nicht zusammen mit dem auslaufenden Phonon-Wellenpaket.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Impact of strain waves traveling across a quantum dot on the optical response of the dot: Distinction between strain waves of different origin. Phys. Rev. B 78, 085316 (2008)
J. Huneke, A. Krügel, T. Kuhn, A. Vagov, V. M. Axt
- Generation of squeezed phonon states by optical excitation of a quantum dot. Journal of Physics: Conference Series 193, 012121 (2009)
D. E. Reiter, S. Sauer, J. Huneke, T. Papenkort, T. Kuhn, A. Vagov, V. M. Axt
- Impact of traveling phonon wave packets on the optical response of quantum dots. Phys. Status Solidi C 6, 479-482 (2009)
J. Huneke, T. Kuhn, V.M. Axt, P. Machnikowski
- Interplay between coherent and incoherent phonons in optically excited biased quantum wells. Journal of Physics: Conference Series 210, 012054 (2010)
T. Papenkort, T. Kuhn, V. M. Axt
- Lattice fluctuations at a double phonon frequency with and without squeezing: an exactly solvable model of an optically excited quantum dot. Phys. Rev. Lett. 105, 157401 (2010)
S. Sauer, J. M. Daniels, D. Reiter, T. Kuhn, A. Vagov, V. M. Axt
- Resonant generation of coherent LO phonons by charge oscillations in a biased quantum well. Phys. Rev. B 81, 205320 (2010)
T. Papenkort, T. Kuhn, V. M. Axt
