Quantenfluktuationen von Exzitonamplituden

Bei Anregung mit kohärentem Laserlicht und sehr niedrigen Laserintensitäten kann die zur kohärenten Exzitonübergangsamplitude zugehörige Intensitätsgröße analog zur Intensität eines kohärenten Lichtfeldes in ein Produkt aus Übergangsamplituden faktorisiert werden. Experimentell ist der hierbei erforderliche Niederintensitätsbereich jedoch nur schwer zugänglich, so dass bereits bei relativ moderaten Anregungsdichten merkliche Abweichungen von dieser Faktorisierung auftreten, die als Maß für Quantenfluktuationen der Exzitonamplitude angesehen werden können. Das Vorhandensein dieser Quantenfluktuationen hat manigfache Auswirkungen auf nichtlinear optische Signale und kann den Ausgang entsprechender Experimente qualitativ verändern.

Ein Beispiel hierzu ist die Dynamik transienter Polarisationszustände; durch geeignete Wahl der Polarisationen der anregenden Laserpulse ist es möglich einen Halbleiter in einen Zustand zu versetzen, so dass die Polarisation der abgestrahlten Vierwellenmisch-Signale nicht bereits durch Auswahlregeln festliegt, sondern sich dynamisch verändert. Aus der Analyse des Polarisationszustands lassen sich tiefgreifende Rückschlüsse auf die Dynamik der optischen Anregungen gewinnen. Übereinstimmung mit den Messungen ergab sich hier erst bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Fluktuationen der Exzitonamplitude. Weitere Manifestationen von Fluktuationen der Exzitonamplitude konnten in Zweistrahl-Sechswellenmisch-Signalen nachgewiesen werden. Diese Messungen werden analog zu Vierwellenmisch-Experimenten durchgeführt, nur dass das abgestrahlte Signal in einer höheren Beugungsordnung als beim Vierwellenmischen detektiert wird. Potentiell können hier Korrelationen zwischen sechs Teilchen bereits in führender Ordnung zum Signal beitragen. Durch Vergleich der Messungen aller relevanten Polarisationskombinationen mit Rechnungen verschiedener Ausbaustufen konnte festgestellt werden, dass durch Berücksichtigung von Fluktuationen der Exzitonamplitude induzierte Übergänge in Zweipaarzustände ein Großteil der Messergebnisse reproduziert werden kann. In diesen Übergängen manifestieren sich Korrelationen an denen sechs Teilchen beteiligt sind.

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. V.M. Axt in Zusammenarbeit mit: Prof. Dr. A. Stahl (RWTH Aachen), Dr. G. Bartels (RWTH Aachen), Prof. Dr. L.J. Sham (University of California at San Diego), Prof. Dr. D.S. Chemla (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California), Dr. S.R. Bolton (Williams College, Williamstown, Massachusetts), Prof. Dr. J. Gutowski (Uni Bremen), Dr. B. Haase (Uni Bremen), Dr. U. Neukirch (Uni Bremen)

Veröffentlichungen:

Bolton, S.R., U. Neukirch, L.J. Sham, D.S. Chemla, V.M. Axt: Demonstration of sixth-order Coulomb correlations in a semiconductor single quantum well, Phys. Rev. Lett. 85, 2002 (2000)

Haase, B., U. Neukirch, J. Gutowski, G. Bartels, A. Stahl, V.M. Axt, J. Nürnberger, W. Faschinger: Manifestation exction-amplitude fluctuations in the transient polarization state of four-wave-mixing signals, Phys. Rev. B (Rapid Communications) 59, R7805 (1999)