Microscopic Theory of Photon-Correlation Spectroscopy in Strong-Coupling Semiconductors

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften ii Zusammenfassung Inhaltsangabe und Zielrichtung der Arbeit Während viele quantenoptische Phänomene in kalten Atomgasen gut etabliert sind, wie der Einzelphotonenemission ('photon antibunching') [1], dem gequetschten Licht ('squeezed light') [2], der Bose-Einstein Kondensation [3], und der Teleportation [4], ste-hen die quantenoptischen Untersuchungen in Halbleitern erst noch am Anfang [5]. Die faszinierenden Resultate, die man in den atomaren Systemen erzielt hat, inspirieren die Physiker, auchähnliche quantenoptische Effekte in Halbleitersystemen nachzuweisen. In dieser Dissertation verwenden wir extensiv die so genannte Cluster Entwicklungsmeth-ode [27–29]. Diese Methode wurde schon erfolgreich in der Untersuchung verschiedenster iv Figure 0.2: Phasenraum-Darstellung einiger Lichtfelder. (a) Klassische Optik welche anhand des kohärenten Zustandes ('coherent state') verdeutlicht wird. Hier spielen Amplitude und Phase die wesentliche Rolle. (b) Quantenoptik. Abge-bildete Beispiele sind gequetschter Zustand ('squeezed state'), Fock-Zustand ('Fock state'), und thermisches Licht ('thermal light'), welche alle eine nicht verschwindende Quantenfluktuation aufweisen. führen wir ∆ ˆ B ˆ B ≡ ˆ B ˆ B − ˆ B ˆ B auf, welches den vollen Erwartungswert abzüglich der klassischen Faktorisierung darstellt. Formal sind die Korrelationen durch die Notation ∆ ˆ O in dieser Dissertation her-vorgehoben, wobeî O eine allgemeine Operatorkombination sein kann. Als Beispiel zeigt der gequetschte Zustand eine nicht verschwindende Zwei-Photonen Korrelation ∆ ˆ B ˆ B [43–46], welche den Grad der Quetschung entlang einer Richtung im Phasenraum an-gibt. Um dies zu verdeutlichen, haben wir die Phasenraumverteilung eines gequetschten Zustands in Abbildung 0.2(b) gezeigt. Wir sehen, dass dieses Beispiel eine Quetschung entlang der Re[ ˆ B] Richtung zeigt. Wie bereits in Ref. [5] betont sind die nicht verschwindenden Korrelationen, z.B. ∆ ˆ Bˆc † ˆ c mit LichtfeldoperatorˆB und elektronischem Operatorˆc, wichtig für jegliche quantenoptische Beschreibung. Hierbei stellt das Kriterium ∆ ˆ Bˆc † ˆ c = 0 eine ein-deutige Unterscheidung zwischen halbklassischen und quantenoptischen Verfahren dar. Wir erwähnen, dass die Korrelationen die volle Quantenstatistik des Lichtes darstellen und dass diesë aquivalent sind zu anderen Darstellungen mittels Erwartungswerten [43], Dichtematrix, reduzierten Verteilungen ('marginal distributions') [43], und mittels Phasenraumverteilungen wie z. Quantum theory of light emission from a semiconductor quantum dot, Phys. Characterization of strong light-matter coupling in semiconductor quantum-dot microcavities via photon-statistics spec-troscopy, Phys. Poster: Characterization of strong light-matter coupling in semiconductor quantum-dot microcavities via photon-statistics In my first studies, I developed a consistent theory which treats the quantum dynamics of the interacting charge carriers in a semiconductor quantum dot. We used the cluster-expansion approach which was …