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

Exzitonbildungs- und Relaxationsdynamik

Die Coulomb-Wechselwirkung zwischen Elektronen und Löchern in einem optisch angeregten Halbleiter führt dazu, dass diese gebundene Zustände eingehen können. Die so gebildeten Exzitonen bilden dann stabile Quasiteilchen, die erst auf einer relativ langen Zeitskala der Rekombination wieder verschwinden. Eine optische Anregung durch einen kohärenten Laserpuls führt aber nicht unmittelbar zu einer Besetzung der entsprechenden Exzitonzustände, sondern er erzeugt zunächst kohärente Exzitonamplituden, die sich anschließend durch Wechselwirkungsprozesse insbesondere mit den Phononen des Kristallgitters aber auch mit einem Unordnungspotential in inkohärente Exzitonbesetzungen umwandeln und anschließend in Richtung eines thermischen Gleichgewichtszustands relaxieren. Thema dieses Forschungsprojekts ist eine konsistente Beschreibung dieser Dynamik ausgehend von der kohärenten Anregung über den Kohärenzverlust, die Bildung gebundener Exzitonen mit im allgemeinen nicht verschwindendem Schwerpunktsimpuls, die Relaxation der gebundenen und ungebundenen Elektron-Loch-Paare bis schließlich zur strahlenden Rekombination. Methodisch wird dies im Rahmen einer Dichtematrixformulierung auf der Stufe von Zweipunkt- und Vierpunkt-Dichtematrizen durchgeführt. Ein interesantes Ergebnis der Untersuchungen ist das sehr komplexe Verhalten insbesondere in der Nähe der Bandkante. Es zeigte sich, dass hier gleichzeitig eine Reihe von unterschiedlichen Wechselwirkungsmechanismen wichtig ist, die sich alle gegenseitig beeinflussen. Die Exzitonbildungs- und Relaxationsdynamik verläuft deshalb teilweise völlig anders, als man von einer einfachen Addition der verschiedenen Mechanismen erwarten würde.

Drittmittelgeber:

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

Beteiligte Wissenschaftler:

PD Dr. V.M. Axt, Dr. K. Siantidis, Prof. Dr. T. Kuhn

Veröffentlichungen:

Siantidis, K., V. M. Axt und T. Kuhn: Dynamics of exciton formation for near band-gap excitations, Phys. Rev. B 65, 035303 (2002)

Siantidis, K., V. M. Axt, J. Wühr und T. Kuhn: Theory of exciton formation and relaxation in quantum wires, phys. stat. sol. (a) 190, 743 (2002)

Siantidis, K., T. Wolterink, V. M. Axt und T. Kuhn: Formation of excitons from correlated electron-hole pairs, Physica B 314, 220 (2002)