Koherente Steuerung Optischer Eigenschaften in Halbleitern

In Quantensystemen erlaubt die Anwesenheit von zwei oder mehreren Wechselwirkungen Interferenz wenn das System von einem Anfangszustand in einen Endzustand gefuehrt wird. Das heisst, dass die Uebergangsrate von einem bestimmten Anfangszustand in einen Endzustand nicht gleich der Summe der einzelnen Uebergangsraten ist, sondern dass zusaetzlich Quanteninterferenzterme auftreten. Hat man nun Kontrolle ueber die relative Phase zwischen den dominierenden Wechselwirkungen, so kann man die Interferenzterme zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz schalten. Somit koennen Uebergangsraten "kohaerent" manipuliert werden. Halbleitersysteme sind von hoher technologischer Wichtigkeit. Der Trend zu immer kleineren Strukturen, um Bauelemente schneller zu machen, fuehrt auf natuerlich Weise zum Auftreten von Quanteneffekten. Es stellt sich daher die Frage, in welchem Ausmass Materialeigenschaften durch kontrollierte Quanteninterferenzeffekte bestimmt werden koennen. Vielteilcheneffekte haben meist einen Beitrag, der Phasenkohaerenz zerstoert. Daher muss man sich meist auf ein Kurzzeitregime im Pikosekundenbereich beschraenken, um dem Phasenbrechen zuvorzukommen. Wir sclagen hier eine theoretische Studie der kohaerenten Kontrolle optischer Eigenschaften von Halbleitern und Halbleitermikrostrukturen vor. Unser Zugang basiert auf einer Nichtgleichgewichts-Greensfunktionsmethode und beruecksichtigt sowohl die kohaerent Dynamik und Vielteilcheneffekte auf nichtphaenomenologische Art. Insbesonders untersuchen wir die Moeglichkeit Lichtabsorption, optischen Gewinn, den Brechungsindex, und die Erzeugung von Strahlung im Mikrowellen- bis Terahertzbereich zu steuern. Die "langsam-variierenden Maxwellgleichungen" werden verwendet, um das induzierte elektromagnetische Feld zu berechnen. Somit kann das totale elektromagnetische Feld bestimmt werden. Motivation fuer dieses Projekt ist das Bestreben den Grenzbereich zwischen kohaerenter (quanten) und inkohaerenter (klassischer) Dynamik in Halbleitern besser zu verstehen, die Fisibilitaet kohaerenter Steuerung optischer Eigenschaften in Halbleitern zu untersuchen und moeglicherweise fundamental neue Operationsprinzipien fuer zukuenftige optoelektronische Bauelemente aufzuzeigen.

Der Miniaturisierung von herkömmlichen elektronischen und optoelektronischen Halbleiterbauelementen wird durch die unvermeidbare Zunahme der elektrischen Feldstaerke, der Waermeproduktion, und durch Auftreten von Quanteneffekten, wie unerwünschtes Tunneln durch Potentialschwellen, eine natuerliche Grenze gesetzt. Man kann einerseits versuchen, diese unerwuenschten Effekte durch kluges Design zu verringern, wie dies in der Vergangenheit getan worden ist und es wohl bis auf etwa weitere 10 Jahre erfolgreich sein wird. Alternativ kann man anstatt Quanteneffekte zu bekämpfen sich diese zum Freund machen indem man sie zum Operationsprinzip fuer neue Bauelemente macht. Die letztere Strategie, die u. A. in der Halbleiterphysik bereits vielversprechenden Erfolg gefruchtet hat, ist auch die Basis fuer die vorliegenden Untersuchungen. Außerdem ist es die zwangslaeufige Strategie, wenn es darum geht, Ideen der Quanteninformationsverarbeitung an physikalischen Systemen zu realisieren. In dieser Arbeit haben wir diese Problematik in zweierlei Hinsicht angesprochen. Erstens haben wir den Ideen des ursprünglichen Antrages folgend, Quantenkontrolle in Halbleiter-heterostrukturen untersucht, die durch zwei oder mehr aussere elektromagnetische Felder verursacht wird. Die Grundidee ist, daß ein Festkoerper, der einem elektromagnetischen ausgesetzt wird (Pumppuls) andere optischen Eigenschaften zeigt als einer der vorher nicht `praepariert` wurde. Die Effekte sind besonders bemerkenswert, wenn der Pumppuls Kohaerenz im System verursacht und einen `Phaseonium`-Zustand generiert. Dann hat die Phase des Prüfpulses relativ zum Zustand des Systems Einfluß auf die Reaktion (Lichtemission) des Systems. In dieser Arbeit haben wir theoretisch gezeigt, dass Halbleiterheterostrukturen durch derartige kohaerente Kontrolle zu phasenabhaengigen Absorbern oder Gewinnmaterial (gain medium) gemacht werden koennen, d.h. die Heterostruktur kann eingestrahltes Licht, abhängig von seiner Phase, verstärken oder schwächen. Optimierung dieser kohaerenten Steuerung hat zu einer zweiten Forschungsrichtung geführt. Diese wurde auch durch das gegenwärtige Interesse an der Realisierung von Quantengattern angeregt. Eines der Hauptprobleme in diesem Zusammenhang ist, dass reale Systeme dissipativ sind, was letztendlich für die Quanteninformationsverarbeitung fatal sein kann. Wir haben Strategien entwickelt, um dissipative Qubits (elementare Bausteine der Quanteninformationsverarbeitung) durch optimale kohaerente Kontrolle zu steuern und haben gezeigt, dass das Konzept der Quanteninterferenz verwendet werden kann, um die effektive System-Badinteraktion zu bestimmen. Für die Quanteninformationsverarbeitung ist eine Verkleinerung wünschenswert. In anderen Fällen wie Laserkuehlen eines Quantensystems, ist eine temporaere Zunahme der effektiven Koppelungstaerke von Nutzen.