Efecto de muchos cuerpos en transiciones ópticas en nanoestructuras semiconductoras

En esta tesis estudiaremos efectos de interacción de muchas partículas en transiciones ópticas en nanoestructuras semiconductoras. En la primera parte de esta tesis se muestran, los efectos de muchos cuerpos en microcavidades semiconductoras del tipo II-VI, en la cual se estudia el proceso de dis...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: León Hilario, Ludwin M.
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2010
Materias:
Física del estado sólido
Nanostructures
Nanoestructuras
Polarons
Polarones
Quantum dots
Puntos cuánticos
Kondo effect
Efecto Kondo
Optical transitions
Transiciones ópticas
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/190/1/1Leon_Hilario.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description En esta tesis estudiaremos efectos de interacción de muchas partículas en transiciones ópticas en nanoestructuras semiconductoras. En la primera parte de esta tesis se muestran, los efectos de muchos cuerpos en microcavidades semiconductoras del tipo II-VI, en la cual se estudia el proceso de dispersión inelástica de luz (dispersión Raman) en el régimen de acoplamiento fuerte entre los modos fotónicos de la cavidad y los estados electrónicos (excitones) de los pozos cuánticos ubicados en el interior de la cavidad. Este régimen tiene como principal característica un fuerte desdoblamiento de los modos cuando la energía de ambos estados, el fotónico y el excitónico, se encuentran en resonancia. Este desdoblamiento da lugar a nuevos autoestados del sistema fuertemente mezclados, parte luz y parte excitón, denominados polaritones de cavidad. Debido a este efecto, el proceso fundamental de dispersión Raman es conceptualmente diferente y se obtiene lo que se llama dispersión Raman mediada por polaritones, la cual se puede entender como que parte del fotón inicial es transformado en la superficie del sólido a un estado polaritónico conservando energía y vector de onda. Este estado es el que se propaga en el interior de la muestra, y es consecuentemente susceptible a sufrir el proceso de dispersión inelástica por las vibraciones de la red hacia otro estado polarit ónico. Este nuevo estado polaritónico se propaga en el sólido, y en la superficie del material se transmite hacia el exterior como foton dispersado, nuevamente conservando energía y vector de onda. Para explicar cuantitativamente los resultados experimentales en este trabajo se trató no perturbativamente el acople entre fotones y excitones y se introducen los efectos de vida media tanto de la componente fotónica como de la excitónica de los estados polaritónicos de una manera rigurosa. También se incluyeron la interacción de estos estados polaritónicos con el estado de excitones del continuo y los ligados de mayor orden, que no interactúan fuertemente con el modo fotónico de la cavidad. Aplicamos el método de las funciones de Green para calcular la intensidad de la dispersión inelástica mediada por polaritones. Esta parte de la tesis fue realizada en estrecha colaboración con el grupo experimental de Propiedades Ópticas del Centro Atómico Bariloche. Luego, presentamos una aplicación del modelo planteado en la primera parte para explicar el acoplamiento fuerte entre luz y materia en sistemas de microcavidades pilares con puntos cuánticos ubicados en el interior de dicha cavidad. Finalmente presentamos un estudio teórico para comprender experimentos en puntos cuánticos, en los cuales se muestran señales ópticas de hibridización entre estados electrónicos localizados de un punto cuántico con estados de un continuo de electrones que rodean el punto cuántico. Para ello calculamos la intensidad de la luz emitida cuando un trión (estado excitado formado por dos electrones y un hueco) decae en un electrón y ningún hueco en un punto cuántico hibridizado con un continuo, como función de la energía del fotón emitido y potencial de compuerta (potencial aplicado que permite variar los niveles electrónicos en el punto cuántico). Utilizando el modelo de impureza de Anderson y función de onda variacional de muchos cuerpos podemos explicar las características principales del experimento.
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Este régimen tiene como principal característica un fuerte desdoblamiento de los modos cuando la energía de ambos estados, el fotónico y el excitónico, se encuentran en resonancia. Este desdoblamiento da lugar a nuevos autoestados del sistema fuertemente mezclados, parte luz y parte excitón, denominados polaritones de cavidad. Debido a este efecto, el proceso fundamental de dispersión Raman es conceptualmente diferente y se obtiene lo que se llama dispersión Raman mediada por polaritones, la cual se puede entender como que parte del fotón inicial es transformado en la superficie del sólido a un estado polaritónico conservando energía y vector de onda. Este estado es el que se propaga en el interior de la muestra, y es consecuentemente susceptible a sufrir el proceso de dispersión inelástica por las vibraciones de la red hacia otro estado polarit ónico. Este nuevo estado polaritónico se propaga en el sólido, y en la superficie del material se transmite hacia el exterior como foton dispersado, nuevamente conservando energía y vector de onda. Para explicar cuantitativamente los resultados experimentales en este trabajo se trató no perturbativamente el acople entre fotones y excitones y se introducen los efectos de vida media tanto de la componente fotónica como de la excitónica de los estados polaritónicos de una manera rigurosa. También se incluyeron la interacción de estos estados polaritónicos con el estado de excitones del continuo y los ligados de mayor orden, que no interactúan fuertemente con el modo fotónico de la cavidad. Aplicamos el método de las funciones de Green para calcular la intensidad de la dispersión inelástica mediada por polaritones. Esta parte de la tesis fue realizada en estrecha colaboración con el grupo experimental de Propiedades Ópticas del Centro Atómico Bariloche. Luego, presentamos una aplicación del modelo planteado en la primera parte para explicar el acoplamiento fuerte entre luz y materia en sistemas de microcavidades pilares con puntos cuánticos ubicados en el interior de dicha cavidad. Finalmente presentamos un estudio teórico para comprender experimentos en puntos cuánticos, en los cuales se muestran señales ópticas de hibridización entre estados electrónicos localizados de un punto cuántico con estados de un continuo de electrones que rodean el punto cuántico. Para ello calculamos la intensidad de la luz emitida cuando un trión (estado excitado formado por dos electrones y un hueco) decae en un electrón y ningún hueco en un punto cuántico hibridizado con un continuo, como función de la energía del fotón emitido y potencial de compuerta (potencial aplicado que permite variar los niveles electrónicos en el punto cuántico). Utilizando el modelo de impureza de Anderson y función de onda variacional de muchos cuerpos podemos explicar las características principales del experimento. In this thesis, we study the effts of interactions of many particles in optical transitions in semiconductor nanostructures. In the first part of this thesis, the subject of the study are IIVI semiconductor microcavities. We calculate the intensity of Raman scattering in the strong coupling regime between photon modes of the cavity and excitonic states of the quantum well localized inside the cavity. This regime is evidenced by the characteristic anticrossing behavior exhibited by the exciton and the cavity mode when they are brought into resonance. As a consequences of this anticrossing new eigenstates of the system appear, which are strongly mixed exciton-photons states, called cavity polaritons. The Raman scattering is mediated by these polaritons. This process can be understood as follows: the inicial photon is transformed on the surface of the solid to a polaritonic state preserving the energy and wave vector. This state propagates inside the sample, and therefore it is susceptible to suffer an inelastic scattering process by the lattice vibrations to other polaritonic state. This polaritonic state propagates in the solid, and on the surface of the material it is transmitted to the outside as a scattered photon, preserving the energy and wave vector again. To explain quantitatively the experimental results we treat the exciton-photon coupling nonperturbatively and incorporate lifetime effects in both excitons and photons in a rigorous way. We also include the strong coupling of the electron-hole continuum with the microcavity photon. We apply the Green's function method to calculate the intensity of the polariton-mediated inelastic light scattering. This part of the thesis was done in collaboration with the experimental group of Optics at Centro Atómico Bariloche. Then, we present a slight modification of the model presented in the first part, to explain the strong coupling between light and matter in semiconductors micropillar cavities with a quantum dot inside these cavities. Finally, we present a theoretical study aimed to understand certain experiments in quantum dots, in which optical signals of hybridization between localized electronic states of a quantum dot with a continuum of extended states are displayed. We calculate the intensity of the light emitted when a trion (excited state formed by two electrons and one hole) decays to a state of one electron and no holes in a quantum dot hybridized with a continuum, as a function of energy of the photon emitted and gate voltage (voltage that modifies the electronic levels in the quantum dot). Using an impurity Anderson model and many-body variational wave functions, we can explain the main features of recent experiments. 2010-07 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/190/1/1Leon_Hilario.pdf es León Hilario, Ludwin M. (2010) Efecto de muchos cuerpos en transiciones ópticas en nanoestructuras semiconductoras / Many-body effects in optical transitions in semiconductor nanostructures. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/190/

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