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Microscopic analysis of the nonlinear optical response of semiconductors: carrier dynamics in extremely intense Terahertz fields and many-body correlations in type-II heterostructures : = Mikroskopische Analyse der nichtlinearen optischen Antwort in Halbleitern: Ladungsträgerdynamik in extrem intensiven Terahertz-Feldern und Vielteilchen Korrelationen in Typ-II-Heterostrukturen
Ort / Verlag
Paderborn
Erscheinungsjahr
2023
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 03.08.2023
ger: In dieser Arbeit wird die nichtlineare Wechselwirkung von Licht und Materie in Halbleitern und Halbleiter-Nanostrukturen anhand der Halbleiter-Bloch Gleichungen beschrieben. Im Rahmen eines Zwei-Band-Modells wird gezeigt, dass Intrabandströme beim Vier-Wellen Mischen mit nicht-resonanten Lichtpulsen maßgeblich zum nichtlinearen Signal beitragen. Diese Ströme werden durch eine feld-induzierte Beschleunigung von Elektronen und Löchern in den jeweiligen Bändern erzeugt. Am Beispiel von MgO wird die Bewegung der Ladungsträger und deren Einfluss auf die Erzeugung hoher Harmonischen untersucht. Die Kollisionsdynamik im Material beeinflusst den Rekombinationsprozess zwischen Elektronen und Löchern und ist für die Anisotropie, d.h. die Abhängigkeit der Erzeugung hoher Harmonischer von der Polarisationsrichtung verantwortlich. Des Weiteren wird der Einfluss von exzitonischen Effekten auf die Erzeugung hoher Harmonischer demonstriert. Sofern ein ungerades Vielfaches der Pulsfrequenz mit der Energie des 1s-Exzitons übereinstimmt, tritt eine verstärkte Erzeugung von hohen Harmonischen auf. Zum Abschluss wird der Einfluss von Vielteilchen Coulomb-Korrelationen bei optischen Anregungen in der Nähe der Bandlücke in räumlich-direkten Typ-I und indirekten Typ-II Halbleiter Nanostrukturen untersucht. Die räumliche Inhomogenität in Typ-II Systemen äußert sich insbesondere in einer unterschiedlich starken Coulomb-Wechselwirkung. Dies führt in der zeitabhängigen Hartree-Fock Näherung zu zusätzlichen Beiträgen zur optischen Antwort. Unsere Ergebnisse unter Berücksichtigung von biexzitonischen Vielteilchen-Korrelationen ermöglichen eine physikalische Interpretation der Messdaten von Anrege-Abfrage Experimenten, in denen Typ-II Halbleiter-Nanostrukturen untersucht wurden.
eng: In this work we describe the nonlinear interaction between light and matter in semiconductors and semiconductor nanostructures using the semiconductor Bloch equations. Within a two-band model it is shown that intraband currents contribute significantly to the nonlinear four-wave-mixing signal excited by nonresonant light pulses. These currents are generated by the field-induced acceleration of electrons and holes in their respective bands. The motion of charge carriers and their influence on the generation of higher harmonics in solids is investigated for the case of MgO. The collision dynamics in the material influences the recombination process between electrons and holes and is responsible for the anisotropy, i.e., the polarization-direction dependence of high harmonic generation in solids. Additionally, the influence of excitonic effects on the generation of higher harmonics is analyzed. When an odd multiple of the pulse frequency coincides with the energy of the1s exciton, an enhanced generation of higher harmonics is obtained. Finally, the influence of many-body Coulomb correlations for optical excitations near the band gap is investigated in spatially-direct type-I and spatially-indirect type-II semiconductor nanostructures. The spatial inhomogeneity of type-II systems manifests itself, in particular, in a modified strength of the Coulomb interaction. This leads to additional contributions to the optical response in the time-dependent Hartree-Fock approximation. Our findings which include biexcitonic many-body correlations allow a physical interpretation of measured data from pump-probe experiments performed on type-II semiconductor quantum wells.