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Teubner-Studienbücher. Physik

Spontane Emission

Harry Paul

Published Jan 1, 1995• 0 citations
Publisher

Abstract

Eine ganz wesentliche Eigenschaft mikroskopischer materieller Systeme ist ihre Fähigkeit, spontan elektromagnetische Strahlung auszusenden. Nach der Quantenmechanik spielt sich der Emissionsvorgang so ab, daß ein Atom (oder Molekül) von einem höheren Energieniveau, in das es durch einen Anregungsvorgang, beispielsweise einen Elektronenstoß, gelangt ist, ohne erkennbaren äußeren Anlaß — etwa in Gestalt eines bereits vorhandenen elektromagnetischen Feldes — in ein tieferes übergeht und die dabei freiwerdende Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgibt. Die durch die Quantengesetze bedingte energetische Struktur der Atome hat damit — wegen der Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes auch im Einzelprozeß — zwangsläufig eine Quantisierung der Energie des bei einem Elementarakt ausgestrahlten Feldes zur Folge, m. a. W., es wird jeweils ein Photon — im Sinne eines definierten Energiequantums — ausgestrahlt.

DOI
10.1007/978-3-322-90681-6_6

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Harry Paul

Eine ganz wesentliche Eigenschaft mikroskopischer materieller Systeme ist ihre Fähigkeit, spontan elektromagnetische Strahlung auszusenden. Nach der Quantenmechanik spielt sich der Emissionsvorgang so ab, daß ein Atom (oder Molekül) von einem höheren Energieniveau, in das es durch einen Anregungsvorgang, beispielsweise einen Elektronenstoß, gelangt ist, ohne erkennbaren äußeren Anlaß — etwa in Gestalt eines bereits vorhandenen elektromagnetischen Feldes — in ein tieferes übergeht und die dabei freiwerdende Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgibt. Die durch die Quantengesetze bedingte energetische Struktur der Atome hat damit — wegen der Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes auch im Einzelprozeß — zwangsläufig eine Quantisierung der Energie des bei einem Elementarakt ausgestrahlten Feldes zur Folge, m. a. W., es wird jeweils ein Photon — im Sinne eines definierten Energiequantums — ausgestrahlt.

Vieweg+Teubner eBooks•Jan 1, 1995•0 citations

Spontane Emission

Harry Paul

Eine ganz wesentliche Eigenschaft mikroskopischer materieller Systeme ist ihre Fähigkeit, spontan elektromagnetische Strahlung auszusenden. Nach der Quantenmechanik spielt sich der Emissionsvorgang so ab, daß ein Atom (oder Molekül) von einem höheren Energieniveau, in das es durch einen Anregungsvorgang, beispielsweise einen Elektronenstoß, gelangt ist, ohne erkennbaren äußeren Anlaß — etwa in Gestalt eines bereits vorhandenen elektromagnetischen Feldes — in ein tieferes übergeht und die dabei freiwerdende Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgibt. Die durch die Quantengesetze bedingte energetische Struktur der Atome hat damit — wegen der Gültigkeit des Energie-erhaltungssatzes auch im Einzelprozeß —zwangsläufig eine Quantisierung der Energie des bei einem Elementarakt ausgestrahlten Feldes zur Folge, m. a. W., es wird jeweils ein Photon — im Sinne eines definierten Energiequantums —ausgestrahlt.

Vieweg+Teubner eBooks•Jan 1, 1985•0 citations

Streutheorie

Wolfgang Nolting

ZusammenfassungEin wichtiges Anwendungsgebiet der Quantenmechanik stellt die theoretische Untersuchung und Beschreibung von Streu-(Stoß)prozessen atomarer Teilchen dar. Es lassen sich damit wertvolle Aufschlüsse über Teilchenwechselwirkungen (z.B. Kernkräfte), elementare Wechselwirkungspotentiale, den Aufbau der Materie (z.B. Kristallstrukturen) usw. gewinnen. Die energetische Struktur der Atome und Moleküle wird dagegen spektroskopisch untersucht, wobei durch eine irgendwie geartete Energiezufuhr das Teilchen aus seinem Grundzustand in einen angeregten Zustand versetzt wird. Die bei der Rückkehr in den Grundzustand zum Beispiel in Form eines Photons emittierte Energie wird analysiert. Anfangs- und Endzustand des Prozesses stammen aus dem diskreten Spektrum des Hamilton-Operators (gebundene Zustände). Typisch für Streuprozesse ist dagegen, daß Anfangs- und Endzustand des betrachteten Systems beide im kontinuierlichen Teil des Eigenwertspektrums liegen. Das gestreute Teilchen kommt aus dem Unendlichen in den Wirkungsbereich des Streuers, um nach dem Stoß asymptotisch im Unendlichen detektiert zu werden. Es befindet sich also nicht in einem gebundenen Zustand.

Vieweg+Teubner eBooks•Jan 1, 1997•0 citations

Optische Detektoren

Harry Paul

Während der Empfang von Rundfunkwellen als ein makroskopischer (und daher in den Zuständigkeitsbereich der klassischen Elektrodynamik fallender) Vorgang anzusehen ist — in einer makroskopischen Antenne wird eine elektrische Spannung induziert, an deren Zustandekommen eine sehr große Anzahl von Elektronen beteiligt ist, die gewissermaßen im Kollektiv der elektrischen Feldstärke der einfallenden Welle folgen -, spielt sich der Nachweis von Licht, was das Elementargeschehen angeht, in mikroskopisch kleinen Gebilden wie Atomen oder Molekülen ab. Ein optischer Detektor wird daher in seiner Wirkungsweise entscheidend durch die Mikrostruktur der Materie bestimmt. Im besonderen ist es (schon wegen der enorm hohen Frequenz des Lichts, die bei etwa 1015 Hz liegt) unmöglich, die elektrische Feldstärke zu messen. Was sich tatsächlich feststellen läßt, ist eine Energieübertragung vom Strahlungsfeld auf einen atomaren Empfänger, woraus sich bestenfalls Rückschlüsse auf die (momentane) Intensität des Lichts ziehen lassen.

Teubner-Studienbücher. Physik•Jan 1, 1995•0 citations

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ZusammenfassungWährend der Empfang von Rundfunkwellen als ein makroskopischer (und daher in den Zuständigkeitsbereich der klassischen Elektrodynamik fallender) Vorgang anzusehen ist — in einer makroskopischen Antenne wird eine elektrische Spannung induziert, an deren Zustandekommen eine sehr große Anzahl von Elektronen beteiligt ist, die gewissermaßen im Kollektiv der elektrischen Feldstärke der einfallenden Welle folgen —, spielt sich der Nachweis von Licht, was das Elementargeschehen angeht, in mikroskopisch kleinen Gebilden wie Atomen oder Molekülen ab. Ein optischer Detektor wird daher in seiner Wirkungsweise entscheidend durch die Mikrostruktur der Materie bestimmt. Im besonderen ist es (schon wegen der enorm hohen Frequenz des Lichts, die bei etwa 1015 Hz liegt) unmöglich, die elektrische Feldstärke zu messen. Was sich tatsächlich feststellen läßt, ist eine Energieübertragung vom Strahlungsfeld auf einen atomaren Empfänger, woraus sich bestenfalls Rückschlüsse auf die (momentane) Intensität des Lichts ziehen lassen.

Vieweg+Teubner eBooks•Jan 1, 1985•0 citations

Optische Eigenschaften einzelner und Coulomb-gekoppelter Quantenpunkte und ihre Verwendung in der Quanteninformationsverarbeitung

J. Danckwerts

In dieser Arbeit wird die Elektronendynamik in Halbleiterquantenpunkten unter linearer und nichtlinearer optischer Anregung untersucht. Es werden einzelne Quantenpunkte und Systeme aus zwei gekoppelten Quantenpunkten betrachtet, wobei das gekoppelte System insbesondere im Hinblick auf seine Eignung zur Quanteninformationsverarbeitung untersucht wird. Bei der Beschreibung der Quantenpunkte wird die Wechselwirkung der Quantenpunktelektronen mit einem klassischen elektromagnetischen Feld und mit Phononen des umgebenden Halbleitermaterials, sowie die Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Quantenpunkten in Dipolnäherung berücksichtigt. Die dynamischen Größen werden auf der Basis einer mikroskopischen Vielteilchentheorie berechnet. Dazu werden die Quantenpunktelektronen im Rahmen eines Dichtematrixformalismus in zweiter Quantisierung behandelt. Die Bewegungsgleichungen werden mit Hilfe einer Korrelationsentwicklung aufgestellt und numerisch gelöst. Für einzelne Quantenpunkte zeigt sich, dass die Wechselwirkung mit Phononen durch nicht-Markovsche Prozesse starken Einfluß auf die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte hat. Es ergeben sich temperaturabhängige Seitenbänder in optischen Absorptionsspektren und eine Dämpfung von Rabi-Oszillationen, die sowohl von der Temperatur als auch von der Pulsdauer und Intensität der optischen Anregung abhängt. Bei niedrigen Temperaturen und kurzen Pulsdauern ist die Dämpfung sehr gering, was eine Verwendung von Quantenpunkten zur optischen Quanteninformationsverarbeitung ermöglicht. Bei gekoppelten Quantenpunkten treten zwei Effekte als Folge der Coulomb-Wechselwirkung in Dipolnäherung auf: der Förster-Transfer und die Biexzitonische Verschiebung, die jeweils durch ein Matrixelement des Hamilton-Operators charakterisiert werden können. Das Förster-Matrixelement bewirkt eine Energieverschiebung der Exzitonenresonanzen in den Absorptionsspektren. Bei den Rabi-Oszillationen ergeben sich eine Abnahme der Amplitude und eine Änderung der Rabi-Frequenz. Die Effekte werden mit Hilfe einer analytischen Diagonalisierung des Hamilton-Operators erklärt. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass im Fall unterschiedlicher Quantenpunkte auch im gekoppelten System die Exzitonen selektiv angeregt werden können, so dass das System prinzipiell geeignet ist für die optische Quanteninformationsverarbeitung auf der Basis von exzitonischen Zuständen. Zuletzt werden einzelne Quantengatter in dem System gekoppelter Quantenpunkte simuliert und ihre Güte berechnet. Als Beispiele für Ein- und Zwei-Qubit-Gatter werden das NOT-Gatter und das CNOT-Gatter untersucht. Der Fehler der Gatter liegt bei Berücksichtigung der radiativen Dämpfung in der Größenordnung 10^(-2). Für die Herstellung vollständig verschränkter Zustände können auch mit radiativer Dämpfung Fehler der Größenordnung 10^(-3) erreicht werden. Abschließend wird die Bedeutung und mögliche Reduktion der Fehlergrößen kritisch diskutiert.

•Jan 4, 2011•0 citations
Eine ganz wesentliche Eigenschaft mikroskopischer materieller Systeme ist ihre Fähigkeit, spontan elektromagnetische Strahlung auszusenden. Nach der Quantenmechanik spielt sich der Emissionsvorgang so ab, daß ein Atom (oder Molekül) von einem höheren Energieniveau, in das es durch einen Anregungsvorgang, beispielsweise einen Elektronenstoß, gelangt ist, ohne erkennbaren äußeren Anlaß — etwa in Gestalt eines bereits vorhandenen elektromagnetischen Feldes — in ein tieferes übergeht und die dabei freiwerdende Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgibt. Die durch die Quantengesetze bedingte energetische Struktur der Atome hat damit — wegen der Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes auch im Einzelprozeß — zwangsläufig eine Quantisierung der Energie des bei einem Elementarakt ausgestrahlten Feldes zur Folge, m. a. W., es wird jeweils ein Photon — im Sinne eines definierten Energiequantums — ausgestrahlt.
Eine ganz wesentliche Eigenschaft mikroskopischer materieller Systeme ist ihre Fähigkeit, spontan elektromagnetische Strahlung auszusenden. Nach der Quantenmechanik spielt sich der Emissionsvorgang so ab, daß ein Atom (oder Molekül) von einem höheren Energieniveau, in das es durch einen Anregungsvorgang, beispielsweise einen Elektronenstoß, gelangt ist, ohne erkennbaren äußeren Anlaß — etwa in Gestalt eines bereits vorhandenen elektromagnetischen Feldes — in ein tieferes übergeht und die dabei freiwerdende Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgibt. Die durch die Quantengesetze bedingte energetische Struktur der Atome hat damit — wegen der Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes auch im Einzelprozeß — zwangsläufig eine Quantisierung der Energie des bei einem Elementarakt ausgestrahlten Feldes zur Folge, m. a. W., es wird jeweils ein Photon — im Sinne eines definierten Energiequantums — ausgestrahlt.
Eine ganz wesentliche Eigenschaft mikroskopischer materieller Systeme ist ihre Fähigkeit, spontan elektromagnetische Strahlung auszusenden. Nach der Quantenmechanik spielt sich der Emissionsvorgang so ab, daß ein Atom (oder Molekül) von einem höheren Energieniveau, in das es durch einen Anregungsvorgang, beispielsweise einen Elektronenstoß, gelangt ist, ohne erkennbaren äußeren Anlaß — etwa in Gestalt eines bereits vorhandenen elektromagnetischen Feldes — in ein tieferes übergeht und die dabei freiwerdende Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgibt. Die durch die Quantengesetze bedingte energetische Struktur der Atome hat damit — wegen der Gültigkeit des Energie-erhaltungssatzes auch im Einzelprozeß —zwangsläufig eine Quantisierung der Energie des bei einem Elementarakt ausgestrahlten Feldes zur Folge, m. a. W., es wird jeweils ein Photon — im Sinne eines definierten Energiequantums —ausgestrahlt.
ZusammenfassungEin wichtiges Anwendungsgebiet der Quantenmechanik stellt die theoretische Untersuchung und Beschreibung von Streu-(Stoß)prozessen atomarer Teilchen dar. Es lassen sich damit wertvolle Aufschlüsse über Teilchenwechselwirkungen (z.B. Kernkräfte), elementare Wechselwirkungspotentiale, den Aufbau der Materie (z.B. Kristallstrukturen) usw. gewinnen. Die energetische Struktur der Atome und Moleküle wird dagegen spektroskopisch untersucht, wobei durch eine irgendwie geartete Energiezufuhr das Teilchen aus seinem Grundzustand in einen angeregten Zustand versetzt wird. Die bei der Rückkehr in den Grundzustand zum Beispiel in Form eines Photons emittierte Energie wird analysiert. Anfangs- und Endzustand des Prozesses stammen aus dem diskreten Spektrum des Hamilton-Operators (gebundene Zustände). Typisch für Streuprozesse ist dagegen, daß Anfangs- und Endzustand des betrachteten Systems beide im kontinuierlichen Teil des Eigenwertspektrums liegen. Das gestreute Teilchen kommt aus dem Unendlichen in den Wirkungsbereich des Streuers, um nach dem Stoß asymptotisch im Unendlichen detektiert zu werden. Es befindet sich also nicht in einem gebundenen Zustand.
Während der Empfang von Rundfunkwellen als ein makroskopischer (und daher in den Zuständigkeitsbereich der klassischen Elektrodynamik fallender) Vorgang anzusehen ist — in einer makroskopischen Antenne wird eine elektrische Spannung induziert, an deren Zustandekommen eine sehr große Anzahl von Elektronen beteiligt ist, die gewissermaßen im Kollektiv der elektrischen Feldstärke der einfallenden Welle folgen -, spielt sich der Nachweis von Licht, was das Elementargeschehen angeht, in mikroskopisch kleinen Gebilden wie Atomen oder Molekülen ab. Ein optischer Detektor wird daher in seiner Wirkungsweise entscheidend durch die Mikrostruktur der Materie bestimmt. Im besonderen ist es (schon wegen der enorm hohen Frequenz des Lichts, die bei etwa 1015 Hz liegt) unmöglich, die elektrische Feldstärke zu messen. Was sich tatsächlich feststellen läßt, ist eine Energieübertragung vom Strahlungsfeld auf einen atomaren Empfänger, woraus sich bestenfalls Rückschlüsse auf die (momentane) Intensität des Lichts ziehen lassen.
ZusammenfassungWährend der Empfang von Rundfunkwellen als ein makroskopischer (und daher in den Zuständigkeitsbereich der klassischen Elektrodynamik fallender) Vorgang anzusehen ist — in einer makroskopischen Antenne wird eine elektrische Spannung induziert, an deren Zustandekommen eine sehr große Anzahl von Elektronen beteiligt ist, die gewissermaßen im Kollektiv der elektrischen Feldstärke der einfallenden Welle folgen —, spielt sich der Nachweis von Licht, was das Elementargeschehen angeht, in mikroskopisch kleinen Gebilden wie Atomen oder Molekülen ab. Ein optischer Detektor wird daher in seiner Wirkungsweise entscheidend durch die Mikrostruktur der Materie bestimmt. Im besonderen ist es (schon wegen der enorm hohen Frequenz des Lichts, die bei etwa 1015 Hz liegt) unmöglich, die elektrische Feldstärke zu messen. Was sich tatsächlich feststellen läßt, ist eine Energieübertragung vom Strahlungsfeld auf einen atomaren Empfänger, woraus sich bestenfalls Rückschlüsse auf die (momentane) Intensität des Lichts ziehen lassen.
In dieser Arbeit wird die Elektronendynamik in Halbleiterquantenpunkten unter linearer und nichtlinearer optischer Anregung untersucht. Es werden einzelne Quantenpunkte und Systeme aus zwei gekoppelten Quantenpunkten betrachtet, wobei das gekoppelte System insbesondere im Hinblick auf seine Eignung zur Quanteninformationsverarbeitung untersucht wird. Bei der Beschreibung der Quantenpunkte wird die Wechselwirkung der Quantenpunktelektronen mit einem klassischen elektromagnetischen Feld und mit Phononen des umgebenden Halbleitermaterials, sowie die Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Quantenpunkten in Dipolnäherung berücksichtigt. Die dynamischen Größen werden auf der Basis einer mikroskopischen Vielteilchentheorie berechnet. Dazu werden die Quantenpunktelektronen im Rahmen eines Dichtematrixformalismus in zweiter Quantisierung behandelt. Die Bewegungsgleichungen werden mit Hilfe einer Korrelationsentwicklung aufgestellt und numerisch gelöst. Für einzelne Quantenpunkte zeigt sich, dass die Wechselwirkung mit Phononen durch nicht-Markovsche Prozesse starken Einfluß auf die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte hat. Es ergeben sich temperaturabhängige Seitenbänder in optischen Absorptionsspektren und eine Dämpfung von Rabi-Oszillationen, die sowohl von der Temperatur als auch von der Pulsdauer und Intensität der optischen Anregung abhängt. Bei niedrigen Temperaturen und kurzen Pulsdauern ist die Dämpfung sehr gering, was eine Verwendung von Quantenpunkten zur optischen Quanteninformationsverarbeitung ermöglicht. Bei gekoppelten Quantenpunkten treten zwei Effekte als Folge der Coulomb-Wechselwirkung in Dipolnäherung auf: der Förster-Transfer und die Biexzitonische Verschiebung, die jeweils durch ein Matrixelement des Hamilton-Operators charakterisiert werden können. Das Förster-Matrixelement bewirkt eine Energieverschiebung der Exzitonenresonanzen in den Absorptionsspektren. Bei den Rabi-Oszillationen ergeben sich eine Abnahme der Amplitude und eine Änderung der Rabi-Frequenz. Die Effekte werden mit Hilfe einer analytischen Diagonalisierung des Hamilton-Operators erklärt. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass im Fall unterschiedlicher Quantenpunkte auch im gekoppelten System die Exzitonen selektiv angeregt werden können, so dass das System prinzipiell geeignet ist für die optische Quanteninformationsverarbeitung auf der Basis von exzitonischen Zuständen. Zuletzt werden einzelne Quantengatter in dem System gekoppelter Quantenpunkte simuliert und ihre Güte berechnet. Als Beispiele für Ein- und Zwei-Qubit-Gatter werden das NOT-Gatter und das CNOT-Gatter untersucht. Der Fehler der Gatter liegt bei Berücksichtigung der radiativen Dämpfung in der Größenordnung 10^(-2). Für die Herstellung vollständig verschränkter Zustände können auch mit radiativer Dämpfung Fehler der Größenordnung 10^(-3) erreicht werden. Abschließend wird die Bedeutung und mögliche Reduktion der Fehlergrößen kritisch diskutiert.