Fachbereich 11 - Physik
Institut für Festkörpertheorie
Lehrstuhl Prof. Dr. T. Kuhn gemeinsam mit Prof. Dr. C. Falter und PD Dr. V.M. Axt

Raum-zeitliche Dynamik auf sehr kurzen Zeit- und Längenskalen

In vielen Anwendungen der Halbleiterelektronik und -optoelektronik werden immer kürzere Zeit- und Längenskalen erreicht. Daher ist ein detailliertes Verständnis der auf diesen Skalen ablaufenden Prozesse notwendig. Interessant ist dabei insbesondere die Tatsache, dass quantenmechanische Phänomene eine zunehmend zentrale Rolle spielen. In der traditionellen, Boltzmannschen Transporttheorie erfolgen Streuprozesse zeitlich instantan an einem bestimmten Ort zwischen Zuständen mit wohldefinierter Energie und Impuls. Dies ist nach den Gesetzen der Quantenmechanik wegen den fundamentalen Orts-Impuls- und Energie-Zeit-Unschärferelationen nicht möglich und kann deshalb nur näherungsweise gültig sein. Auf sehr kurzen Längen- und Zeitskalen muss daher die semiklassische Boltzmannsche kinetische Theorie durch eine Quantenkinetik ersetzt werden, die diesen Quanteneffekten Rechnung trägt. Im Zentrum der Untersuchungen steht die Rolle der Elektron-Phonon-Wechselwirkung für die Dynamik räumlich lokalisierter Wellenpakete, wie sie z.B. mit Hilfe einer Femtosekunden-Anregung durch die Spitze eines optischen Nahfeldmikroskops präpariert werden können. Es zeigt sich, dass die Energie-Zeit-Unschärfe hier zum Auftreten von sehr schnellen Ladungsträgern aufgrund der transienten Besetzung hochenergetischer Zustände führen kann. Ferner werden durch die schnelle räumliche Trennung von Elektronen und Löchern kohärente Phononen angeregt, die Gitterschwingungen mit nicht-verschwindender mittlerer Auslenkung beschreiben. Da es sich hierbei um Auslenkungen der positiven gegenüber den negativen Ionen handelt, schirmen diese kohärenten Phononen die Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Ladungsträgern ab und reduzieren dadurch die Kopplung zwischen Elektronen und Löchern.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft - Schwerpunktprogramm "Quantenkohärenz in Halbleitern", EU-TMR Netzwerk "Ultrafast Quantum Optoelectronics"

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. T. Kuhn, PD Dr. V.M. Axt, Dr. M. Herbst, Dipl.-Phys. M. Glanemann

Veröffentlichungen:

Kuhn, T.: Phonon quantum kinetics in spatially inhomogeneous systems, Adv. in Solid State Physics 41, 125 (2001)

Herbst, M., M. Glanemann, V.M. Axt und T. Kuhn: Electron-phonon quantum kinetics for spatially inhomogeneous excitations, Phys. Rev. B 67 195305 (2003)

Rossi, F. and T. Kuhn: Theory of ultrafast phenomena in photoexcited semiconductors, Rev. Mod. Phys. 74, 895 (2002)