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2015 - Claudia Gollner

Random Lasing in Quantenpunkten

Research stay at the Faculty of Engineering and Physical Sciences of the Universiy of Surrey, GB
xx/01/2015 - xx/02/2015


Claudia Gollner
Contact: vorname.nachname(/\t)gmx.at


Die Forschungsgruppe mit und um Ben Murdin beschäftigt sich im Speziellen mit Phosphor dotiertem Silizium und der kohärenten Kontrolle von Donatororbitalen. Ihre Arbeiten repräsentieren ein Festkörper-Analogon zu aktuellen Arbeiten in der Atomphysik, welche sich mit Quanteninformation-Technologien beschäftigen, in denen Verschränkungen von sich überlappenden elektronischen Orbitalen untersucht werden. Die Phosphor Donatoren in Silizium, die in erster Näherung über ein einfaches Wasserstoffmodell beschreiben werden können, zeigen ähnliche Serien von diskreten Energiezuständen wie Atome. Die Übergangsenergien sind dabei allerdings sowohl aufgrund der kleinen effektiven Massen der Elektronen im Halbleiter, als auch aufgrund der dielektrischen Funktion im Halbleiter skaliert, sodass sämtliche „atomaren“ Übergangsenergien in eher unüblichen Spektralbereichen liegen.
Experimente, die an diesen künstlichen Atomen durchgeführt werden sollen, umfassen die Anregung von Rabi-Oszialltionen zwischen 2 diskreten Zuständen. Abhängig von der Art der Anregung (Intensität, Pumpdauer, Pumpfläche,..) ändert sich das daraus entstehende Photon-Echo, welches Rückschlüsse auf die Größe und Art der Atomorbitale zulässt, bzw diese manipulieren lässt. [1]

Im Zuge meiner Masterarbeit mit dem Titel 'Random Lasing in CdSe/CdS core/thick-shell Nanocrystals', hatte ich die Möglichkeit mich intensiv mit Quantenoptik und Laserphysik zu beschäftigen. Dabei untersuchte ich Quantenpunkte als mögliches optisch aktives Lasermaterial. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Effekt des 'Quantum Confinements', d.h. die Energieniveaus von Quantenpunkten werden als atom-ähnlich (sozusagen als künstliche Atome) betrachtet. Ähnlich wie bei Phosphor dotiertem Silizium können auch diese Quantenpunkte als atomares Zwei-Niveau System gesehen werden, welches durch Rabi-Oszillationen kohärent manipuliert werden kann [2]. Da es im Rahmen meiner Masterarbeit bereits erfolgreich gelungen ist, das Potential für Laseranwendungen der untersuchten kolloidalen Nanokristalle nachzuweisen, wäre es von großem Interesse, dieselben Materialien auch für Technologien der Quanteninformation zu untersuchen. Ich hoffe, im Rahmen eine Doktorarbeit dafür Gelegenheit zu haben.
Der Vorteil der Quantenpunkte liegt dabei im Spektralbereich, der für die Anregung des 2-Niveau Systems verwendet werden kann, da diese Materialien im Sichtbaren arbeiten und Größenabhängige Zustände aufweisen. Mein Besuch am Institut of Advanced Technologies an der Universität of Surrey, bietet mir die Möglichkeit, erste Experimente auf dem Gebiet der Quanteninformationstechnologie an Festkörpern durchzuführen. Diese sollen Aufschlüsse darüber geben, ob die Möglichkeit zu ähnlichen Experimente an kolloidalen Quantenpunkten besteht.

Einer der kritischsten Punkte der Rabi-Oszillation ist dabei die resonante Anregung, da die nötigen Laser-Frequenzen nur schwer zugänglich sind. Ein wichtiger Aspekt ist daher, die Laseranregung zu optimieren. Da ich während meiner Masterarbeit laufend mit verschiedensten Lasersystemen gearbeitet habe, wurde ich eingeladen, diese Arbeiten in Surrey gemeinsam mit den dortigen Wissenschaftern durchzuführen. Dabei erfolgt der Wissenstransfer in beiden Richtungen.

[1] Greenland, P. T and Lynch, S. A. and van der Meer, A. F. G. and Murdin, B. N. and Pidgeon, C. R. and Redlich, B. and Vinh, N. Q. and Aeppli, G. , Coherent control of Rydberg states in silicon, Nature1057-1061, (465) 2010
[2] Stievater, T. and Li, Xiaoqin and Steel, D. and Gammon, D. and Katzer, D. and Park, D. and Piermarocchi, C. and Sham, L., Coherent properties of a two-level system based on a quantum-dot photodiode, Phys. Rev. Lett.13360 - 4, (87) 2001