Study of parabolic quantum well microcavities and terahertz time domain spectroscopy in the bosonic cascade regime

Abstract

Η παρούσα εργασία εστιάζεται στη μελέτη ημιαγωγικών μικροκοιλοτήτων με κβαντικά πηγάδια. Οι δομές αυτές στηρίζονται στην ισχυρή σύζευξη μεταξύ φωτός (φωτόνια στη μικροκοιλότητα) και ύλης (εξιτόνια στα κβαντικά πηγάδια), δημιουργώντας νέα ψευδοσωματίδια που ονομάζονται πολαριτόνια. Τέτοιες δομές μπορούν να προσφέρουν έναν εναλλακτικό τρόπο εκπομπής THz ακτινοβολίας, χρησιμοποιώντας το φαινόμενο των μποζονικών αλυσιδωτών μεταβάσεων από ισαπέχουσες ενεργειακές καταστάσεις. Η εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος ασχολείται με τη μελέτη ημιαγωγικών δομών βασισμένων σε κβαντικά πηγάδια με παραβολικό δυναμικό. Το δεύτερο μέρος περιγράφει την ανάπτυξη και τη δοκιμή ενός THz φασματομέτρου για τη μελέτη των μποζονικών αλυσιδωτών μεταβάσεων. Στο πρώτο μέρος δείχνουμε ότι το παραβολικό κβαντικό πηγάδι εμφανίζει τα αναμενόμενα ισαπέχοντα ενεργειακά επίπεδα. Παρατηρούμε κβαντικές ταλαντώσεις (quantum beating) σε συχνότητες THz μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων των εξιτονίων του κβαντικού πηγαδιού. Όταν το παραβολικό κβαντικό πηγάδι εμπεριέχεται σε μικροκοιλότητα, η δομή δείχνει τη χαρακτηριστική συμπεριφορά απουσίας τομής (anticrossing) μεταξύ εξιτονίων βαριών/ελαφριών οπών και του φωτονικού ρυθμού, αποδεικνύοντας έτσι το καθεστώς ισχυρής σύζευξης. Επιπλέον, υπό μη συντονισμένη οπτική διέγερση, η μικροκοιλότητα εμφανίζει μη-γραμμική εξαναγκασμένη εκπομπή. Στη συνέχεια, η μελέτη δυναμικής έδειξε ότι τα εξιτόνια αποδιεγείρονται πιο γρήγορα στο παραβολικό δυναμικό συγκριτικά με μία δομή με κβαντικά πηγάδια τετραγωνικού δυναμικού. Η θεωρητική ανάλυση της δυναμικής αποδιεγέρσεων συμφωνεί ποιοτικά με τα πειραματικά αποτελέσματα και περιγράφει τη χρονική εξέλιξη των εξιτονικών πληθυσμών σε κάθε επίπεδο του παραβολικού κβαντικού πηγαδιού μαζί με τη συνεισφορά κάθε μετάβασης στη συνολική φωτοφωταύγεια. Στο δεύτερο μέρος περιγράφουμε την ανάπτυξη και τη δοκιμή ενός THz φασματομέτρου το οποίο επιτρέπει τη μέτρηση THz εκπομπής καθώς και την αλλαγή που προκαλεί εξωτερική οπτική διέγερση, στη διαδιδόμενη στο δείγμα THz ακτινοβολία. Η διάταξη προσφέρει τη δυνατότητα μετρήσεων σε θερμοκρασίες από 14 έως 300 Κ. Παρουσιάζονται επίσης τα πρώτα αποτελέσματα απορρόφησης/ενίσχυσης σε ημιαγωγική δομή μικροκοιλότητας με παραβολικά κβαντικά πηγάδια.