León Hilario, Ludwin M. (2010) Efecto de muchos cuerpos en transiciones ópticas en nanoestructuras semiconductoras / Many-body effects in optical transitions in semiconductor nanostructures. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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| PDF (Tesis) Español 3429Kb |
Resumen en español
En esta tesis estudiaremos efectos de interacción de muchas partículas en transiciones ópticas en nanoestructuras semiconductoras. En la primera parte de esta tesis se muestran, los efectos de muchos cuerpos en microcavidades semiconductoras del tipo II-VI, en la cual se estudia el proceso de dispersión inelástica de luz (dispersión Raman) en el régimen de acoplamiento fuerte entre los modos fotónicos de la cavidad y los estados electrónicos (excitones) de los pozos cuánticos ubicados en el interior de la cavidad. Este régimen tiene como principal característica un fuerte desdoblamiento de los modos cuando la energía de ambos estados, el fotónico y el excitónico, se encuentran en resonancia. Este desdoblamiento da lugar a nuevos autoestados del sistema fuertemente mezclados, parte luz y parte excitón, denominados polaritones de cavidad. Debido a este efecto, el proceso fundamental de dispersión Raman es conceptualmente diferente y se obtiene lo que se llama dispersión Raman mediada por polaritones, la cual se puede entender como que parte del fotón inicial es transformado en la superficie del sólido a un estado polaritónico conservando energía y vector de onda. Este estado es el que se propaga en el interior de la muestra, y es consecuentemente susceptible a sufrir el proceso de dispersión inelástica por las vibraciones de la red hacia otro estado polarit ónico. Este nuevo estado polaritónico se propaga en el sólido, y en la superficie del material se transmite hacia el exterior como foton dispersado, nuevamente conservando energía y vector de onda. Para explicar cuantitativamente los resultados experimentales en este trabajo se trató no perturbativamente el acople entre fotones y excitones y se introducen los efectos de vida media tanto de la componente fotónica como de la excitónica de los estados polaritónicos de una manera rigurosa. También se incluyeron la interacción de estos estados polaritónicos con el estado de excitones del continuo y los ligados de mayor orden, que no interactúan fuertemente con el modo fotónico de la cavidad. Aplicamos el método de las funciones de Green para calcular la intensidad de la dispersión inelástica mediada por polaritones. Esta parte de la tesis fue realizada en estrecha colaboración con el grupo experimental de Propiedades Ópticas del Centro Atómico Bariloche. Luego, presentamos una aplicación del modelo planteado en la primera parte para explicar el acoplamiento fuerte entre luz y materia en sistemas de microcavidades pilares con puntos cuánticos ubicados en el interior de dicha cavidad. Finalmente presentamos un estudio teórico para comprender experimentos en puntos cuánticos, en los cuales se muestran señales ópticas de hibridización entre estados electrónicos localizados de un punto cuántico con estados de un continuo de electrones que rodean el punto cuántico. Para ello calculamos la intensidad de la luz emitida cuando un trión (estado excitado formado por dos electrones y un hueco) decae en un electrón y ningún hueco en un punto cuántico hibridizado con un continuo, como función de la energía del fotón emitido y potencial de compuerta (potencial aplicado que permite variar los niveles electrónicos en el punto cuántico). Utilizando el modelo de impureza de Anderson y función de onda variacional de muchos cuerpos podemos explicar las características principales del experimento.
Resumen en inglés
In this thesis, we study the effts of interactions of many particles in optical transitions in semiconductor nanostructures. In the first part of this thesis, the subject of the study are IIVI semiconductor microcavities. We calculate the intensity of Raman scattering in the strong coupling regime between photon modes of the cavity and excitonic states of the quantum well localized inside the cavity. This regime is evidenced by the characteristic anticrossing behavior exhibited by the exciton and the cavity mode when they are brought into resonance. As a consequences of this anticrossing new eigenstates of the system appear, which are strongly mixed exciton-photons states, called cavity polaritons. The Raman scattering is mediated by these polaritons. This process can be understood as follows: the inicial photon is transformed on the surface of the solid to a polaritonic state preserving the energy and wave vector. This state propagates inside the sample, and therefore it is susceptible to suffer an inelastic scattering process by the lattice vibrations to other polaritonic state. This polaritonic state propagates in the solid, and on the surface of the material it is transmitted to the outside as a scattered photon, preserving the energy and wave vector again. To explain quantitatively the experimental results we treat the exciton-photon coupling nonperturbatively and incorporate lifetime effects in both excitons and photons in a rigorous way. We also include the strong coupling of the electron-hole continuum with the microcavity photon. We apply the Green's function method to calculate the intensity of the polariton-mediated inelastic light scattering. This part of the thesis was done in collaboration with the experimental group of Optics at Centro Atómico Bariloche. Then, we present a slight modification of the model presented in the first part, to explain the strong coupling between light and matter in semiconductors micropillar cavities with a quantum dot inside these cavities. Finally, we present a theoretical study aimed to understand certain experiments in quantum dots, in which optical signals of hybridization between localized electronic states of a quantum dot with a continuum of extended states are displayed. We calculate the intensity of the light emitted when a trion (excited state formed by two electrons and one hole) decays to a state of one electron and no holes in a quantum dot hybridized with a continuum, as a function of energy of the photon emitted and gate voltage (voltage that modifies the electronic levels in the quantum dot). Using an impurity Anderson model and many-body variational wave functions, we can explain the main features of recent experiments.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Física) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Nanostructures; Nanoestructuras; Polarons; Polarones; Quantum dots; Puntos cuánticos; Kondo effect; Efecto Kondo; Optical transitions; Transiciones ópticas |
| Referencias: | [1] J.J. Hopeld. Theory of the contribution of excitons to the complex dielectric crystals. Phys. Rev., 112:1955, (1958). [2] S. Christopoulos, G. Baldassarri, Hoger von Hogersthala, A. J. D. Grundy, P. G. Lagoudakis, A.V. Kavokin, and J. J. Baumberg. Room-temperature polariton lasing in semiconductor microcavities. Phys. Rev. Lett., 98:126405, (2007). [3] Hui Deng, Gregor Weihs, David Snoke, Jacqueline Bloch, and Yoshihisa Yamamoto. Polariton lasing vs. photon lasing in a semiconductor microcavity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 100:15318, (2003). [4] Axel E. Bruchhausen. Amplicacion de la dispersion Raman en sistemas nanoestructu- rados. [tesis de doctorado] Instituto Balseiro, Comision Nacional de Energa Atomica y Universidad Nacional de Cuyo, Bariloche, (2008). [5] Ch. Kittel. Introduction to Solid State Physics. Wiley, Nueva York, (1996). [6] O. Madelung. Introduction to solid-state theory. Springer-Verlag, Berlin, (1981). [7] K. Cho. Internal structure of excitons, Topics in current physics. Springer-Verlag, Berlin, (1979). [8] H. Ibach and Hans Luth. Solid-State Physics. Springer-Verlag, Berlin, (2009). [9] C. F. Klingshirn. Semiconductor Optics. Springer-Verlag, Berlin, (1971). [10] W. Hayes and Loudon R. Scattering of light by cristals. Wiley-Interscience, New York, (1978). [11] Jacek Kasprzak. Condensation of exciton polaritons. [tesis de doctorado] Universite Joseph Fourier, Grenoble, (2006). [12] E. M. Purcell. Spontaneous emission probabilities at radio frequencies. Phys. Rev., 69:681, (1946). [13] M. Gross et S. Haroche P. Goy, J. M. Raimond. Observation of cavity-enhanced singleatom spontaneous emission. Phys. Rev. Lett., 50:1903, (1983). [14] G. Gabrielse et H. Dehmelt. Observation of inhibited spontaneous emission. Phys. Rev. Lett., 55:67, (1985). [15] S. Haroche et D. Kleppner. Cavity quantum electrodynamics. Physics Today, 42:24, (1989). [16] M. Gross J. M. Raimond et S. Haroche Y. Kaluzny, P. Goy. Observation of self-induced rabi oscillations in two-level atoms excited inside a resonant cavity: The ringing regime of superradiance. Physics Today, 51:1175, (1983). [17] C. Weisbuch, M. Nishicoa, A. Ishikawa, and Y. Arakawa. Observation of the coupled exciton-photon mode splitting in a semiconductor quantum microcavity. Phys. Rev. Lett., 69:3314, (1992). [18] P. Y. Yu and M. Cardona. Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties. Springer-Verlag, Berlin, (1996). [19] W. Hayes and R. Loudon. Scattering of light by crystals. Wiley-Interscience, New York, (1978). [20] A. Bruchhausen, A. Fainstein, B. Jusserand, and R. Andre. Polariton mediated resonant raman scattering in ii-vi microcavities: exciton lifetime eects. Phys. Rev. B, 68:205326, (2003). [21] M. Kastner. Articial atoms. Physics Today, 46:24, (1993). [22] Alejandro Lobos. Efecto de muchos cuerpos en sistemas de Fermiones pesados. [tesis de doctorado] Instituto Balseiro, Comision Nacional de Energa Atomica y Universidad Nacional de Cuyo, Bariloche, (2007). [23] D. Mahalu D.Abusch-Magder U. Meirav D. Goldhaber-Gordon, H. Shtrikman. Nature, 391:156, (1998). [24] Oosterkamp T. H. Cronenwet, S. M and L. P. Kouwenhoven. Science, 281:540, (1998). [25] J. Kondo. Resistance minimum in dilute magnetic alloys. Prog. Theor. Phys., 32:37, (1964). [26] M.B. Maple et al. Kondo eect: Alloys and compounds Vol. 2 de Handbook on the physics and chemistry of rare earths. North-Hollands, Amsterdam, The Netherlands, (1978). [27] P. W. Anderson. Localized magnetic states in metals. Phys. Rev, 124:41, (1961). [28] Henrik Kajueter and Gabriel Kotliar. New iterative perturbation scheme for lattice models with arbitrary lling. Phys. Rev. Lett., 77:131, (1966). [29] C. M. Varma and Y. Yafet. Magnetic susceptibility of mixed-valence rare-earth compounds. Phys. Rev. B, 13:2950, (1976). [30] M. Matsushita and M. Nakayama. Theory of light scattering through exciton-polaritons. Phys. Rev. B, 30:2074, (1984). [31] B. Bendow. Polariton theory of raman scattering in insulating crystals. Phys. Rev. B, 2:5051, (1970). [32] A. Bruchhausen, L. M. Leon Hilario, A. A. Aligia, A. M. Lobos, B. Jusserand, and R. Andre. Microcavity exciton-polariton mediated raman scattering: Experiments and theory. Phys. Rev. B, 78:125326, (2008). [33] A. Fainstein, B. Jusserand, and V. Thierry-Mieg. Cavity-polariton mediated resonant raman scattering. Phys. Rev. Lett, 78:1576, (1997). [34] A. Fainstein, B. Jusserand, and R. Andre. Polariton eects on rst-order raman scattering in ii-vi microcavities. Phys. Rev. B, 57:R9439, (1998). [35] B.Bendow. Polariton theory of resonance raman scattering in solids. Springer tracts in modern physics-Vol 82: Electronic Structure of Nobel Metals and Polariton-Mediated Light Scattering, Berlin, (1996). [36] C. Weisbuch and R. G. Ulbrich. Ressonant light scattering mediated by excitonic polaritons in semiconductors. In M. Cardona and G. Guntherodt, editors, Light Scattering in Solids III, volume 51 of Topics in Applied Physics. Springer-Verlag, Heidelberg, (1982). [37] A. Messiah. Quantum mechanics - Vols 1 y 2. North Holland, Amsterdam, (1962). [38] A. Bruchhausen, A. Fainstein, and B. Jusserand. Dephasing in cavity-polariton mediated resonant raman scattering. American Institute of Physics, CP772:1117, (2005). [39] D. N. Zubarev. Usp. z. nauk. Sov. Phys. Usp., 3:320, (1960). [40] E. Economou. Green functions in quantum physics. Springer Series in Solid-State Sciences, Heidelberg, (2006). [41] A. Bruchhausen, A. Fainstein, B. Jusserand, and R. Andre. Resonant raman scattering by cdte quantum-well-conned optical phonons in a semiconductor microcavity. Phys. Rev. B, 63:85305, (2006). [42] M. Shinada and S. Sugano. Interband optical transitions in extremely anisotropic semiconductors. i bound and unbound exciton absorption. J. Phys. Soc. Japan, 21:1936, (1966). [43] C. Y.-P. Chao and S. L. Chuang. Analytical and numerical solutions for two-dimensional exciton in momentum space. Phys. Rev. B, 43:6530, (1991). [44] S. Jorda, U. Rossler, and D. Broido. Fine structure of excitons and polariton dispertion in quantum wells. Phys. Rev. B, 48:1669, (1993). [45] J. Boch and J. Y. Marzin. Phys. Rev. B, 56:2103, (1997). [46] P. Borri, J. R. Jensen, W. Langbein, and j. M. Hvam. Phys. Rev. B, 61:R13377, (2000). [47] P. Yeh, A. Yariv, and C.-S. Hong. Electromagnetic propagation in periodic stratied media. i. general theory. J. Opt. Soc. Am., 67:423, (1976). [48] A. Yariv. Introduction to optical electronics. Holt, Rinehart, Winston, New York, (1971). [49] W. R. Tribe, D. Baxter, M. S. Skolnick, D. J. Mowbray, T. A. Fisher, and J. S. Roberts. In- and out-going resonant raman scattering from the cavity polaritons of semiconductor quantum microcavities. Phys. Rev. B, 56:12429, (1997). [50] D. M. Whittaker, P. Kinsler, M. S. Skolnick, A. Armitage, A. M. Afshar, M. D. Stunge, and J. S. Roberts. Notional narrowing in semiconductor microcavities. Phys. Rev. Lett., 77:4792, (1996). [51] D. M. Whittaker. What deterimes inhomogeneous linewidths in semiconductor microcavities. Phys. Rev. Lett., 80:4691, (1998). And references therein. [52] J. Tignon, P. Voisin, C. Delalande, M. Voos, R. Houdre, U. Oesterle, and R. P. Stanley. Phys. Rev. Lett, 74:3967, (1995). [53] M.F. Tsai, H. Lin, C.H. Lin, S.D. Lin, S.Y. Wang, M.C. Lo, S.J. Cheng, M.C. Lee, and W.H. Chang. Phys. Rev. Lett, 101:267402, (2008). [54] M. Lomascolo, R. Cingolani, P. O. Vaccaro, and K. Fujita. Appl. Phys. Lett, 74:676, (1999). [55] S. Reitzenstein, S. Munch, P. Franeck, A. Rahimi-Iman, A. Loer, S. Ho ing, L. Worschech, and A. Forchel. Phys. Rev. Lett, 103:127401, (2009). [56] J. P. Reithmaier, G. Seik, A. Loer, C. Hofmann, S. Kuhn, S. Reitzenstein, L. V. Keldysh, V. D. Kulakovskii, T. L. Reinecke, and A. Forchel. Nature, 432:197, (2004). [57] H. J. Carmichael, R. J. Brecha, M. G. Raizen, H. J. Kimble, and P. R. Rice. Phys. Rev. A, 40:5516, (1989). [58] L. C. Andreani, G. Panzarini, and J-M Gerard. Phys. Rev. B, 60:13276, (1999). [59] Elena del Valle Reboul. Quantum Electrodynamics with Quantum Dots in Microcavities. [tesis de doctorado] Universidad Autonoma de Madrid, Madrid, (2009). [60] L. M. Leon Hilario, A. Bruchhausen, A. M. Lobos, and A. A. Aligia. Theory of polaritonmediated raman scattering in microcavities. J. Phys: Cond. Matter, 19:176210, (2007). [61] D. Press, S. Gotzinger, S. Reitzenstein, C. Hofmann, A. Loer, M. Kamp, A. Forchel, and Y. Yamamoto. Phys. Rev. Lett, 98:117402, (2007). [62] R. J. Warburton, C. Schafelin, D. Haft, F. Bickel, A. Lorke, K. Karrai, J. M. Garcia, W. Schoenfeld, and P. M. Petro. Nature, 405:926, (2000). [63] K. Karrai, R. J. Warburton, C. Schulhauser, A. Hogele, B. Urbaszek, E. J. McGhee, A. O. Govorov, J. M. Garcia, B. D. Geradot, and P. M. Petro. Nature, 427:135, (2004). [64] Rikke Meldgaard Roege. Quantum Dots in Micropillar Cavities. [tesis de doctorado] Technical University of Denmark, Dinamarca, (2009). [65] M. Bayer, A. Kuther, A. Forchel, A. Gorbunov, V. B. Timofeev, F. Schafer, and J. P. Reithmaier. Phys. Rev. Lett, 82:1748, (1999). [66] B. Urbaszek, R. J. Warburton, K. Karrai, B. D. Gerardot, P. M. Petro, and J. M. Garcia. Phys. Rev. Lett, 90:247403, (2003). [67] J. M. Smith, P. A. Dalgarno, R. J.Warburton, A. O. Govorov, K. Karrai, B. D. Gerardot, and P. M. Petro. Phys. Rev. Lett, 94:197402, (2005). [68] P. A. Dalgarno, B. D. Gerardot, J. M. Smith, S. Seidl, M. Kroner, K. Karrai, P. M. Petro, A. O. Govorov, and R. J. Warburton. Phys. Rev. Lett, 100:176801, (2008). [69] Y. Yamamoto, T. Tassone, and H. Cao. Semiconductor Cavity Quantum Electrodyna- mics. Springer-Verlag, Berlin, (2000). [70] A. Hogele, S. Seidl, M. Kronerr, K. Karrai, R. J. Warburton, B. D. Gerardot, and P. M. Petro. Phys. Rev. Lett, 93:217401, (2004). [71] R. Bulla and T. A. Costi andT. Pruschele. Rev. Mod. Phys., 80:395, (2008). [72] P. O. Lowdin. J. Chem. Phys., 18:365, (1950). [73] R. W. Helmes, M. Sindel, L. Borda, and J. von Delft. Phys. Rev. B, 72:125301, (2005). [74] B. Roulet, J. Gavoret, and P. Nozieres. Phys. Rev. B, 178:1072, (1969). [75] L. Vaugier, A. A. Aligia, and A. M. Lobos. Phys. Rev. B, 76:165112, (2007). [76] M. Atature et al. Science, 312:551, (2006). |
| Materias: | Física > Física del estado sólido |
| Divisiones: | Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Teoría de sólidos |
| Código ID: | 190 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 15 Sep 2010 14:22 |
| Última Modificación: | 03 Feb 2012 11:24 |
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