Forschungsschwerpunkte - Prof. Dr. Tilmann 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


    abgeschlossene Arbeiten

    Dissertation

    • M. Holtkemper (2020)
      Excited excitonic complexes in quantum dots: Optical properties and light-induced dynamics

    Masterarbeit

    • T. Hahn (2019)
      Simulation von Vier-Wellen-Misch-Spektroskopie an einem Quantenpunkt im optomechanischen Resonator und an einem zweidimensionalen Halbleiter

    Bachelorarbeit

    • J. Jasper (2020)
      Dynamik der Rabioszillationen eines optisch getriebenen Zwei-Niveau-Systems mit Lokaler-Feld-Wechselwirkung
    • F. Stüber (2019)
      Untersuchung der Erzeugung höherer Harmonischer in optisch getriebenen Zweiniveau-Systemen

    ausgewählte Veröffentlichungen

    • Local field effects in ultrafast light-matter interaction measured by pump-probe spectroscopy of monolayer MoSe2
      A. Rodek, T. Hahn, J. Kasprzak, T. Kasimierczuk, K. Nogajewski, K.E. Połczyńska, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Kuhn, P. Machnikowski, M. Potemski, D. Wigger, and P. Kossacki
      Nanophotonics 10, 2717-2728 (2021)
    • Influence of local fields on the dynamics of four-wave mixing signals from 2D semiconductor systems
      T. Hahn, J. Kasprzak, P. Machnikowski, T. Kuhn, and D. Wigger
      New J. Phys. 23 (2021) 023036
    • Femtosecond Transfer and Manipulation of Persistent Hot-Trion Coherence in a Single CdSe/ZnSe Quantum Dot
      P. Henzler, C. Traum, M. Holtkemper, D. Nabben, M. Erbe, D.E. Reiter, T. Kuhn, S. Mahapatra, K. Brunner, D. V. Seletskiy, and A. Leitenstorfer
      Phys. Rev. Lett. 126, 067402 (2021)
    • Dark exciton preparation in a quantum dot by a longitudinal light field tuned to higher exciton states
      M. Holtkemper, G.F. Quinteiro, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      Phys. Rev. Research 3, 013024 (2021)
    • Selection rules for the excitation of quantum dots by spatially structured light beams: Application to the reconstruction of higher excited exciton wave functions
      M. Holtkemper, G.F. Quinteiro, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 102, 165315 (2020)
    • Semiclassical modeling of coupled quantum-dot-cavity systems: From polaritonlike dynamics to Rabi oscillations
      K. Jürgens, F. Lengers, T. Kuhn, and D.E. Reiter
      Phys. Rev. B 101, 235311 (2020)
    • Four-wave mixing dynamics of a strongly coupled quantum-dot-microcavity system driven by up to 20 photons
      D. Groll, D. Wigger, K. Jürgens, T. Hahn, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, J. Kasprzak, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 101, 245301 (2020)
    • Theory of the absorption line shape in monolayers of transition metal dichalcogenides
      F. Lengers, T. Kuhn, D.E. Reiter
      Phys. Rev. B 101, 155304 (2020)
    • Effective detection of spatio-temporal carrier dynamics by carrier capture
      R. Rosati, F. Lengers, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      J. Phys.: Condens. Matter 31 (2019) 28LT01
    • Spatiotemporal dynamics of Coulomb-correlated carriers in semiconductors
      F. Lengers, R. Rosati, T. Kuhn, and D.E. Reiter
      Phys. Rev. B 99, 155306 (2019)
    • Spatial control of carrier capture in two-dimensional materials: Beyond energy selection rules
      R. Rosati, F. Lengers, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 98, 195411 (2018)
    • Rabi oscillations of a quantum dot exciton coupled to acoustic phonons: coherence and population readout
      D. Wigger, C. Schneider, S. Gerhardt, M. Kamp, S. Höfling, T. Kuhn, and J. Kasprzak
      Optica 5 (11), 1442-1450 (2018)
    • Coulomb effects on the photoexcited quantum dynamics of electrons in a plasmonic nanosphere
      A. Crai, A. Pusch, D.E. Reiter, L. Román Castellanos, T. Kuhn, and O. Hess
      Phys. Rev. B 98, 165411 (2018)
    • Comparison of different concurrences characterizing phonon pairs generated in the biexciton cascade in quantum dots coupled to microcavities
      M. Cygorek, F. Ungar, T. Seidelmann, A.M. Barth, A. Vagov, V.M. Axt, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 98, 045303 (2018)
    • Influence of the quantum dot geometry on p-shell transitions in differently charged quantum dots
      M. Holtkemper, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 97, 075308 (2018)
    • Charge and spin control of ultrafast electron and hole dynamics in single CdSe/ZnSe quantum dots
      C. Hinz, P. Gumbsheimer, C. Traum, M. Holtkemper, B. Bauer, J. Haase, S. Mahapatra, A. Frey, K. Brunner, D.E. Reiter, T. Kuhn, D.V. Seletskij, and A. Leitenstorfer
      Phys. Rev. B 97, 045302 (2018)
    • Exploring coherence of individual excitons in InAs quantum dots embedded in natural photonic defects: Influence of the excitation intensity
      D. Wigger, Q. Mermillod, T. Jakubczyk, F. Fras, S. Le-Denmat, D.E. Reiter. S. Höfling, M. Kamp. G. Nogues, C. Schneider, T. Kuhn, and J. Kasprzak
      Phys. Rev. B 96, 165311 (2017)

  • 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.