Tatsachen und Folgerungen über Zahl und Koppelung von Elektronen im Wasserstoffatom

Ernst Reichenb�cher

G�nther Carlo

Guido Beck

Helmut Lindner

Soll ein Atommodell mehr als nur eine ungefähre Vorstellung geben, so muß es auch die auffallendste Wesensäußerung des Atoms befriedigend erklären, die Emission des Lichtes. Wir sprachen im Abschnitt 1.5. schon von den Katodenstrahlen, d. h. schnell bewegten Elektronen. Wenn nun in der Entladungsröhre noch ein gewisser Rest von Gas vorhanden ist (etwa in der Größenordnung von 1 Torr), so erfüllt sich der ganze Raum mit einem mild strahlenden Licht. Jedes Gas leuchtet dabei mit einer charakteristischen Farbe.

Alexander Carmele

Aktuelle Fortschritte in der Halbleitertechnologie etablieren ein neues physikalisches System, um quantenoptische Eigenschaften auf Nanoskalen zu untersuchen: ein Quantenpunkt in einem Mikroresonator. Im Falle einer starken Kopplung übertrifft die Stärke der Elektron-Licht Wechselwirkung die auftretenden Verluste und Rabi Oszillationen treten auf. Diese Arbeit befasst sich mit der theoretischen Beschreibung solcher Systeme für den Fall, dass wenige Photonen mit einem einzelnen Quantenpunkt wechselwirken und die Dynamik der Photonen und Elektronen stark korreliert ist. Typische theoretische Zugänge basieren auf Faktorisierungsansätzen, die im Falle einer stark korrelierten Dynamik ihre Gültigkeit einbüßen. Neue theoretische Zugänge sind zwingend erforderlich und werden mit dieser Arbeit vorgestellt, die im Bewegungsgleichungsansatz eine Faktorisierung der Elektron-Licht Wechselwirkung vermeiden und eine vollständige Beschreibung der Vielteilchenkinetik im Falle stark korrelierter Dynamiken gewährleisten, inklusive der Berücksichtigung von Gedächtniseffekten. Für atomähnliche Quantenpunkte kann die Zahl der Elektronen und Löcher als konstant angenommen werden. Mittels der vollständigen Induktion wird ein numerisch lösbares Modell eingeführt, das die ineinanderspielende Elektron-, Photon- und Phonondynamik bis auf beliebige Genauigkeit auswertet. Überraschenderweise wird ein anfängliches thermisches Lichtfeld im Resonator aufgrund der stark wechselwirkenden Phononen- und Photonendynamik in den Zustand eines nichtklassischen Lichtfeld gebracht. Neben dem üblichen spektralen Anti-crossing, falls sich die Resonatormode in Resonanz mit der Bandlückenfrequenz des Quantenpunktes befindet, treten weitere Anti-crossings auf, sobald die Kavitätsmode von der Bandlückenfrequenz um ein ganzzahliges Vielfaches der LO-Phononenfrequenz verstimmt ist. Diese von den Phononen herbeigeführte starke Kopplung führt zu anharmonischen Rabi Oszillationen bei Raumtemperatur. In einem nächsten Schritt wird das induktive Modell auf eine Biexziton-Kaskade in einem Quantenpunkt angewendet und für starke und schwache Kopplung ein temperaturabhängiges Maß für Polarisationsverschränkung der abgestrahlten Photonen bestimmt. Ab einer Temperatur von 120K dominiert der Einfluss der Halbleiterumgebung in GaAs und die Polarisationsverschränkung verschwindet. Dieses Ergebnis stimmt mit aktuellen Messergebnissen überein. In flachen Quantenpunkten ist die Zahl der Elektronen und der Löcher nicht mehr konstant und die Vielteilchenkorrelationen der Ladungsträger können nicht mehr vernachlässigt werden. Im Rahmen einer Photonwahrscheinlichkeitsentwicklung, die die starke Korrelation zwischen Elektronen und Photonen berücksichtigt, wird eine modifizierte Hartree-Fock Faktorisierung eingeführt. Das erhöhte Pauli-Blocking in Halbleiterumgebungen führt zu modizifierten Rabi Oszillationen, an deren Amplitude die Zahl der Ladungsträger im Quantenpunkt bestimmt werden kann. Zudem wird die Photonenstatistik eines elektrisch gepumpten Quantenpunktes berechnet und auf diese Weise eine Parameterstudie für elektrisch gepumpte Einzelphotonenemitter erstellt.

J. Stark