Halbleiter-Quantenfilme angeregt mit nicht-klassischen Lichtzuständen: Wechselspiel zwischen photonischen Quanten-Korrelationen und Vielteilchen-Wechselwirkungen in Festkörpersystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt haben wir einen theoretischen Ansatz entwickelt und analysiert, der die Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen Halbleitern und Licht auf einer vollständig quantisierten Ebene beschreibt. Das bedeutet, dass die Dynamik der Materialanregungen und des Lichtfelds selbstkonsistent beschrieben wird und dass das Lichtfeld in Form seiner fundamentalen elementaren quantenmechanischen Anregungen, d.h. in Form von Photonen, beschrieben wird. Unser Ansatz wurde auf verschiedene Modellsysteme und Szenarien angewandt. Zunächst analysierten wir ein Modell vom Jaynes-Cummings-Typ mit drei elektronischen Zuständen, das durch Quantenlicht angeregt wird. Wir konnten zeigen, dass Verluste, die in realen Systemen unvermeidlich sind, zur Kontrolle der Population der elektronischen Zustände genutzt werden können. Außerdem wurde die elektromagnetisch induzierte Transparenz mit Quantenlicht demonstriert und es wurden Quantenkorrelationen zwischen Lichtfeldern untersucht. Zweitens wurde die Wechselwirkung zwischen Quantenlicht und Materie für Systeme untersucht, die in Resonatoren mit niedrigen Güten (Q-Faktoren) eingeschlossen sind. Solche verlustbehafteten Resonatoren, welche im Allgemeinen aufgrund ihrer hohen Verluste die Quanteneigenschaften schnell zerstören, haben bisher weniger Beachtung gefunden. Durch die Analyse eines Drei-Niveau-Systems vom Λ-Typ in verlustbehafteten Resonatoren haben wir jedoch gezeigt, dass Hohlräume mit niedrigem Q-Faktor für die Herstellung bestimmter elektronischer stationärer Zustände von Vorteil sein können, wenn bestimmte Quantenzustände des Lichts verwendet werden. Drittens wurden die quantenoptischen Eigenschaften von ein- und zweidimensionalen Halbleiternanostrukturen im Rahmen von Zwei-Band-Tight-Binding-Modellen untersucht. Wir konnten zeigen, dass sich während des Wechselwirkungsprozesses eine kollektive Anregung des Leitungsbandes bildet. Für nicht-resonante Anregungen führt diese kollektive Dynamik zu interessanten stationären Zuständen, in denen die resonant angeregten Eigenzustände besetzt sind. Kürzlich wurde dieses Modell erweitert, um exzitonische Effekte mit einzubeziehen. Im Rahmen dieses Projekts haben wir mehrere relevante Ergebnisse für verschiedene Modellsysteme erhalten und neue Effekte vorhergesagt. In geeignet designten Systemen sollten unsere Ergebnisse im Experiment beobachtbar sein. Die vorhergesagten Eigenschaften könnten für künftige Anwendungen der Quantentechnologie nützlich sein, die sowohl photonische Quantenkorrelationen als auch Quantenkorrelationen zwischen Licht und Materie zunutze machen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Excitation of an electronic band structure by a single-photon Fock state
H. Rose; A.N. Vasil'ev; O.V. Tikhonova; T. Meier & P.R. Sharapova
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The interaction of a three-level system with quantized light, Poster (online) at 15th International Conference on Nonlinear Optics and Excitation Kinetics in Semiconductors (NOEKS15), Münster, Germany, September 2020.
H. Rose, D.V. Popolitova, O.V. Tikhonova, P.R. Sharapova & T. Meier
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Dark-state and loss-induced phenomena in the quantum-optical regime of Λ -type three-level systems. Physical Review A, 103(1).
Rose, H.; Popolitova, D. V.; Tikhonova, O. V.; Meier, T. & Sharapova, P. R.
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Steady states of Λ-type three-level systems excited by quantum light with various photon statistics in lossy cavities. New Journal of Physics, 24(6), 063020.
Rose, H.; Tikhonova, O. V.; Meier, T. & Sharapova, P. R.
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Theoretical analysis of correlations between two quantum fields exciting a three-level system using the cluster-expansion approach. Ultrafast Phenomena and Nanophotonics XXVI, +I1142, 19. SPIE.
Rose, Hendrik; Tikhonova, Olga V.; Meier, Torsten & Sharapova, Polina R.
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Theoretical analysis of the interaction between semiconductor nanostructures and quantum light: from single pulses to four-wave mixing, Dissertation, Paderborn University
Hendrik Rose
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Quantum-optical excitations of semiconductor nanostructures in a microcavity using a two-band model and a single-mode quantum field. Physical Review A, 107(1).
Rose, H.; Vasil'ev, A. N.; Tikhonova, O. V.; Meier, T. & Sharapova, P. R.
