Theoretical Analysis of the Interaction between Semiconductor Nanostructures and Quantum Light: From Single Pulses to Four-Wave Mixing
Creators: name: Rose, Hendrik
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2022

description: In dieser Arbeit werden theoretische Modelle für die Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Halbleiternanostrukturen und Quantenlicht in Mikrokavitäten formuliert und analysiert. Das Ziel dieser Arbeit ist das Ergründen und Verstehen von Eigenschaften die exklusiv für eine quantenoptische Behandlung sind und ein hohes Anwendungspotential für Quanten-Anwendungen bieten, um solche zu entwerfen oder zu verbessern. Zunächst werden Systeme behandelt, deren Materie sich anfangs im elektronischen Grundzustand befindet und durch ein quantenoptisches Lichtfeld angeregt wird. Für -Typ Drei-Niveau-Systeme lässt sich zeigen dass Verluste im quantenoptischen Regime vorteilhaft genutzt werden können, etwa beim Präperieren von speziellen stationären Zuständen. Darüberhinaus wird gezeigt dass elektromagnetisch-induzierte Transparenz durch eine nichtklassische Anregung verstärkt wird. Für Zwei-Band-Modelle wird die Besetzungsdynamik mit analytischen und numerischen Methoden untersucht und spezielle stationäre Zustände werden demonstriert. Nachfolgend werden Messdaten von Vier-Wellen-Mischen-Experimenten an Ensemblen von Halbleiter-Quantenpunkten mit einem semiklassischen Modell analysiert. Hier wird die zeitliche Kontrolle von Photonen-Echos simuliert und die Hauptdämpfungsprozesse werden diskutiert. Anschließend wird ein Ausblick auf die Beschreibung von Vier-Wellen-Mischen-Prozessen mit quantenoptischer Anregung gegeben und genäherte Ergebnisse präsentiert. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick für zukünftige Forschungsprojekte.
description: In this thesis, we formulate and analyze theoretical models to describe the interaction between semiconductor nanostructures and quantum light in microcavities. The aim is to explore and understand properties that are exclusive for a quantum-optical treatment and have a high potential in application to create new or to improve existing quantum devices. We begin with systems whose material system is initially in its electronic ground state and is excited by a quantum-optical light field. For -type three-level systems, we show that losses can be used as an advantage in order to create special steady states. Furthermore, we show that electromagnetically induced transparency can be enhanced by using non-classical light. For two-band models, we investigate the population dynamics with analytical and numerical methods and demonstrate the formation of special steady states. Hereinafter, we analyze data obtained from four-wave-mixing experiments performed on ensembles of semiconductor quantum dots, where the theoretical description is based on a semiclassical model. In particular, the temporal control of photon echoes is simulated and the main damping mechanisms are discussed. Subsequent, we provide an outlook towards four-wave-mixing processes with quantum-optical excitations and present a number of approximate results. We close with a summary and an outlook of possible future research projects.