Elektron-Phonon Quantenkinetik in Halbleitern

In der traditionellen, der sog. semiklassischen kinetischen Theorie werden Wechselwirkungsprozesse wie z.B. der Ladungsträger untereinander oder der Ladungsträger mit Gitterschwingungen durch Übergangsraten beschrieben. Dies führt auf die aus der klassischen Kinetik bekannte Boltzmann-Gleichung. Diese Beschreibung stößt aber im Bereich einiger Femtosekunden an die Grenzen ihrer Gültigkeit, da Phasenbeziehungen eine zunehmende Rolle spielen. Im Rahmen eines auf der Dichtematrix-Theorie basierenden quantenkinetischen Zugangs werden für den Fall der Elektron-Phonon-Wechselwirkung Phänomene untersucht, die über die klassische Kinetik hinausgehen. Dies sind insbesondere die Energie-Zeit-Unschärfe, Korrelationsphänomene, und Renormierungseffekte durch Überlagerung unterschiedlicher Mechanismen. So führt die Berücksichtigung der Coulombwechselwirkung bei der Elektron-Phonon-Streudynamik zu Übergängen zwischen exzitonischen Zuständen, die sich bei genügend hohen Temperaturen in phononischen Seitenbanden des Exzitons im Bereich der Energielücke äußern. Die entsprechenden Übergänge unter Phononemission führen dagegen nur zu einer schwachen Struktur im linearen Absorptionsspektrum.

Neben dem kontinuierlichen Halbleitermodell werden auch diskrete elektronische Modelle untersucht, die mit einem Phononystem wechselwirken. Ein Vorteil solcher Modell ist, dass hierfür zum Teil analytische Lösungen möglich sind und somit der Grenzfall schwacher Kopplung verlassen werden kann. So konnte erfolgreich das Auftreten von Quantenschwebungen in stärker polaren Materialien wie ZnSe beschrieben werden, bei denen auch Mehrphononprozesse sichtbar werden. Auf der Basis solcher Modelle werden darüber hinaus Untersuchungen zur Dekohärenz in Quantenpunktstrukturen durchgeführt. Diese Fragestellung ist insbesondere für mögliche Anwendungen im Rahmen einer Quanteninformationstheorie von großer Bedeutung.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft - Schwerpunktprogramm "Quantenkohärenz in Halbleitern", HLRZ-Forschungszentrum Jülich, EU-FET Projekt "Semiconductor-based Implementation of Quantum Information Devices"

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. T. Kuhn, Dr. V.M. Axt, Dipl.-Phys. M. Herbst, Dipl.-Phys. T. Wolterink, M. Glanemann, B. Krummheuer in Zusammenarbeit mit: Prof. Dr. M. Wegener (Karlsruhe)

Veröffentlichungen:

Axt, V.M., K. Siantidis, M. Herbst, T. Kuhn, S. Grosse, M. Koch, J. Feldmann: Coherent and incoherent aspects of the coupled exciton phonon system, Materials Science Forum, Vols. 297-298, 79 (1999)

Steinbach, D., G. Kocherscheidt, M.U. Wehner, H. Kalt, M. Wegener, K. Ohkawa, D. Hommel, V.M. Axt: Electron-phonon quantum kinetics in the strong coupling regime, Phys. Rev. B 60, 12079 (1999)