Forschungsschwerpunkte - Prof. Dr. T. Kuhn

Der Schwerpunkt der in der Arbeitsgruppe bearbeiteten Forschungsthemen liegt im Bereich der theoretischen Beschreibung und der Simulation der Nichtgleichgewichtsdynamik wechselwirkender Vielteilchensysteme, wie sie in verschiedenen Festkörpermaterialien und Nanostrukturen, aber auch beispielsweise in ultrakalten atomaren Quantengasen auftreten. Aktuelle Forschungsprojekte laufen auf folgenden Gebieten:

  • Ladungsträgerdynamik in lokalisierten Halbleiter Strukturen

    Quantenpunkte (engl. quantum dots, QDs) sind Halbleiter-Nanostrukturen, in denen die Bewegungsfreiheit von Elektronen auf einer Nanometerskala so weit eingeschränkt ist, dass sich ähnlich wie in einem Atom ein diskretes Energiespektrum ausbildet. Im Gegensatz zu Atomen ist dieses Spektrum aber in weiten Bereichen kontrollierbar, z.B. durch die Wahl von Materialzusammensetzung, Größe und Geometrie. Diese Eigenschaft macht Quantenpunkte zu attraktiven Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich von Optoelektronik, Photonik bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung. Durch kontrollierte Laseranregung lässt sich der Zustand der Ladungsträger, die sich in einer Halbleiterstruktur wie z.B. einem Quantenpunkt befinden, gezielt beeinflussen. Da ein realer Quantenpunkt kein isoliertes System darstellt, sondern in der Regel in einen Festkörper eingebettet ist, beeinflusst die Umgebung den Zustand der Ladungsträger recht stark. Die deutlichsten Auswirkungen haben dabei die Wechselwirkungen mit Gitterschwingungen, die in ihrer quantisierten Beschreibung als Phononen bezeichnet werden.

    Schematische Darstellungen der Exziton-Anregung mit einem frequenzmodulierten Laserpuls

    Wir untersuchen, wie sich die Störung des Quantenpunktes durch die Phononen minimieren lässt, um die optisch induzierte Dynamik der Ladungsträger in gewünschter Weise zu optimieren. Dazu lassen sich beispielsweise Laserpulse mit speziellen Eigenschaften, wie z.B. ultrakurze oder frequenzmodulierte Pulse, nutzen.

    Eine genaue Kenntnis über die quantenpunktinterne Ladungsträgerdynamik spielt bei der gezielten Kontrolle der Zustände eine entscheidende Rolle. Zur Untersuchung der Dynamik bieten sich nichtlineare Techniken, wie Pump-Probe- oder Vier-Wellen-Misch-Spektroskopie an. Wir beschäftigen uns dabei mit dem Einfluss verschiedener Wechselwirkungen, wie z.B. der Coulomb- und Austausch-Wechselwirkung und der Wechselwirkung mit Gitterschwingungen, auf die Dynamik der nichtlinearen Spektren.

    Schematischer Aufbau von Pump-Probe- und Vier-Wellen-Misch-Spektroskopie

    Ein weiterer zentraler Aspekt ist der Einfang von Ladungsträgern in einen Quantenpunkt. Ladungsträger können sehr leicht optisch oder elektrisch in der Umgebung eines Quantenpunkts erzeugt werden. Dieser wirkt dann als Potentialmulde und dient als Falle für die Ladungsträger. Bei der theoretischen Beschreibung dieses Vorgangs spielt wiederum die Streuung an Phononen eine wichtige Rolle, da diese die beim Einfangprozess frei werdende Energie aufnehmen können.

    Einfangprozess eines Elektron-Wellenpakets in einem Quantenpunkt


    Derzeitige Projekte (gemeinsam mit AG Reiter)

    • Phonon-Effekte bei der Anregung eines Quantenpunkts mit gechirpten Laserpulsen (Sebastian Lüker)
    • Pump-Probe-Spektroskopie an einzelnen Quantenpunkten (Matthias Holtkemper)
    • Vier-Wellen-Misch-Spektroskopie an einzelnen Nanostrukturen (Daniel Wigger)
    • Phononassistierte Einfangprozesse in lokalisierte Zustände (Roberto Rosati)

    Abgeschlossene Arbeiten

    Dissertationen

    • D. Wigger, Interplay between acoustig phonons and excitons in optically driven semiconductor quantum dots (2017)
    • J. Daniels, Excitonic States and Optical Transitions in Undoped and Mn-Doped Double Quantum Dots (2014)
    • J. Huneke, Modeling Ultrafast Few Carrier Dynamics in Quantum Dots: Coulomb Correlations and Carrier Relaxation Processes (2011)

    Master-/Diplomarbeiten

    • M. Holtkemper, Exzitonische und biexzitonische Zustände in Mn-dotierten Quantenpunkten (2013)
    • D. Thuberg, Optical Switching in a III-V Semiconductor Quantum Dot doped with a Single Mn (2012)
    • E. Kahlhöfer, Einfluss der Valenzbandmischung auf die Spindynamik in Mangan-dotierten Quantenpunkten (2012)
    • S. Lüker, Einfluss akustischer Phononen auf die optische Kontrolle von Halbleiter-Quantenpunkten (2012)

    Bachelorarbeiten

    • M. Wolff, Einfluss der Rotating-Wave-Approximation auf die laserpulsinduzierte Besetzungsdynamik in einem Zwei-Niveau-System (2015)
    • F. Stegemerten, Simulation der 2D-Vier-Wellen-Misch-Spektroskopie für Zwei- und Drei-Niveau-Systeme (2015)
    • J. Michel, Anregung von Mehr-Niveau-Quantenpunktsystemen mit frequenzmodulierten Lichtpulsen (2015)
    • D. Kavajin, Dynamik von Wenig-Niveau-Systemen angeregt durch frequenzmodulierte Laserpulsen (2014)

    Ausgewählte Veröffentlichungen

    • Coherent and robust high-fidelity generation of a biexciton in a quantum dot by rapid adiabatic passage
      T. Kaldewey, S. Lüker, A.V. Kuhlmann, S.R. Valentin, A. Ludwig, A.D. Wieck, D.E. Reiter, T. Kuhn, and R.J. Warburton
      Phys. Rev. B 95, 161302(R) (2017)
    • Lindblad approach to spatiotemporal quantum dynamics of phonon-induced carrier capture processes
      R. Rosati, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 95, 165302 (2017)
    • Impact of Phonons on Dephasing of Individual Excitons in Deterministic Quantum Dot Microlenses
      T. Jakubczyk, V. Delmonte, S. Fischbach, D. Wigger, D.E. Reiter, Q. Mermillod, P. Schnauber, A. Kaganskiy, J.-H. Schulze, A. Strittmatter, S. Rodt, W. Langbein, T. Kuhn, S. Reitzenstein, and J. Kasprzak
      ACS Photonics, 3, 2461  (2016)
    • Fast and selective phonon-assisted state preparation of a quantum dot by adiabatic undressing
      A.M. Barth, S. Lüker, A. Vagov, D.E. Reiter, T. Kuhn, and V.M. Axt
      Phys. Rev. B 94, 045306 (2016)
    • Nanoscale Positioning of Single-Photon Emitters in Atomically Thin WSe2
      J. Kern, I. Niehues, P. Tonndorf, R. Schmidt, D. Wigger, R. Schneider, T. Stiehm, S. Michaelis de Vasconcellos, D.E. Reiter, T. Kuhn, and R. Bratschitsch
      Adv. Mater. 28, 7101-7105 (2016)
    • Dynamics of excitons in individual InAs quantum dots revealed in four-wave mixing spectroscopy
      Q. Mermillod, D. Wigger, V. Delmonte, D.E. Reiter, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, W. Langbein, T. Kuhn, G. Nogues, and J. Kasprzak
      Optica, Vol. 3, No. 4, pp. 377-384 (2016)
    • Coulomb Mediated Hybridization of Excitons in Coupled Quantum Dots
      P.-L. Ardelt, K. Gawarecki, K. Müller, A.M. Waeber, A. Bechtold, K. Oberhofer, J.M. Daniels, F. Klotz, M. Bichler, T. Kuhn, H.J. Krenner, P. Machnikowski, and J.J. Finley
      Phys. Rev. Lett. 116, 077401 (2016)
    • Direct optical state preparation of the dark exciton in a quantum dot
      S. Lüker, T. Kuhn, and D.E. Reiter
      Phys. Rev. B 92, 201305(R) (2015)
    • The role of phonons for exciton and biexciton generation in an optically driven quantum dot
      D.E. Reiter, T. Kuhn, M. Glässl, and V.M. Axt
      J. Phys.: Condens. Matter 26 (2014) 423203
    • Switching between ground states of an InAs quantum dot doped with a single Mn atom
      D. Thuberg, D.E. Reiter, V.M. Axt, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 88, 085312 (2013)
    • Biexciton state preparation in a quantum dot via adiabatic rapid passage: Comparison between two control protocols and impact of phonon-induced dephasing
      M. Glässl, A.M. Barth, K. Gawarecki, P. Machnikowski, M.D. Croitoru, S. Lüker, D.E. Reiter, T. Kuhn and V.M. Axt
      Phys. Rev. B 87, 085303 (2013)
    • Influence of acoustic phonons on the optical control of quantum dots driven by adiabatic rapid passage
      S. Lüker, K. Gawarecki, D.E. Reiter, A. Grodecka-Grad, V.M. Axt, P. Machnikowski, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 85, 121302(R) (2012)

  • Phonondynamik und Exziton-Phonon-Wechselwirkung in Nanostrukturen

    Wenn sich in einem Kristall die Ladungsträgerverteilung ändert, hat dies einen Einfluss auf die Bewegung der Gitteratome des Kristalls. So können zum Beispiel durch optische Anregung der Elektronen in einem Halbleiter Phononen (quantisierte Schwingungen der Gitteratome) erzeugt oder vernichtet werden. Regt man einen Quantenpunkt mit ultrakurzen Laserpulsen an, so kann die ultraschnelle Änderung der Ladungsverteilung zur Erzeugung von Wellenpaketen führen, die sich vom Quantenpunkt wie eine Schockwelle in die Umgebung ausbreiten. Solche Wellenpakete könnten beispielsweise zur Kommunikation zwischen verschiedenen Quantenpunkten genutzt werden. Zusätzlich wird durch die Änderung der Ladungsverteilung im Quantenpunkt das Gitter in diesem Bereich leicht verzerrt; diese mit einer Anregung verbundene lokale Gitterverzerrung wird auch als Polaron bezeichnet. Durch gezielte Manipulation der Anregung kann man die Erzeugung und Vernichtung  der Phononen kontrollieren.