Нелинейно-оптические свойства системы бозе-конденсированных экситонов и управление люминесценцией внешними полями
Диссертация
Оказывается, что наноструктуры могут оказаться полезными и в проблеме обнаружения бозе-конденсата экситонов. Дело в том, что одной из таких структур является, так называемые, связанные квантовые ямы, в которой возможно существование экситонных возбуждений с пространственно-разделенными электроном и дыркой — пространственно непрямых экситонов. Именно структуры с пространственно разделенными… Читать ещё >
Содержание
- 1. Многоэкситонная когерентная рекомбинация бозе- конденсированных экситонов
- 1. 1. Модель
- 1. 2. Отражение света назад от бозе-конденсата экситонов
- 1. 2. 1. Трехмерные экситоны в СщО
- 1. 2. 2. Квазидвумерные экситоны в связанных квантовых ямах на СаАз
- 1. 3. Многоэкситонная рекомбинация из бозе-конденсата
- 1. 3. 1. Трехэкситонная когерентная рекомбинация из конденсата
- 1. 3. 2. Четырехэкситонная рекомбинация из конденсата
- 2. 1. Инженерия дисперсии пространственно непрямого экситона
- 2. 2. Экситоны в связанных квантовых ямах в магнитном поле. Основные уравнения
- 2. 3. Формирование экситонного спектра
- 3. 1. Модель
- 3. 2. Управление с помощью внешних полей интенсивностью люминесценции непрямых экситонов
- 3. 3. Угловая направленность люминесценции и фононного излучения в резонансном процессе рекомбинации непрямых экситонов
- 3. 4. Схема наблюдения бозе-конденсата непрямых экситонов
- 3. 5. Статистические свойства фононного излучения
- 3. 6. Стационарный режим работы фононного лазера на переходе непрямой экситон-^ прямой экситон
Список литературы
- M.Blatt, K.W.Boer, W. Brandt, Bose-Einstein Condensation of Excitons, Phys.Rev. 126, 1691 (1962).
- С.А.Москаленко, Обратные оптико-гидродинамические явления в неидеальном экситонном газе, Физика твердого тела 4, 276 (1962).
- R.C.Casella, A criterion for exciton binding in dense electron-hole system, J.Appl.Phys. 34, 1703 (1963).
- Л.В.Келдыш, А. Н. Козлов, Коллективные свойства экситонов в полупроводниках, ЖЭТФ 54, 978 (1968).
- Л.В.Келдыш, Ю. В. Копаев, Возможная неустойчивость полуметаллического состояния относительно кулоновского взаимодействия, Физика Твердого Тела 6, 2791 (1964) transl: 6, 2219 (1965)].
- A.L.Ivanov, H. Haug, L.V.Keldysh, Optics of excitonic molecules in semiconductors and semiconductor microstructures, Phys.Rep. 296, 237, (1998).
- А.Н.Козлов, Л. А. Максимов, О фазовом переходе металл-диэлектрик. Двухвалентный кристалл, ЖЭТФ 48, 1184 (1965).
- D.Hulin, A. Mysyrowicz, C. Benoit A La Cuillaume, Evidence for Bose-Einstein Statistics in an Exciton Gas, Phys.Rev.Lett. 45, 1970 (1980).
- L.L.Chase, N. Peyghambarian, G. Grynberg, A. Mysyrowicz, Evidence for Bose-Einstein Condensation of Biexcitons in CuCl, Phys.Rev.Lett. 42, 1231 (1979).
- M.Inoue, E. Hanamura, Emission spectrum from the Bose-condensed excitonic molecules, J.Phys.Soc.Jap. 41, 1273 (1976).
- D.W.Snoke, J.P.Wolfe, A. Mysyrowicz, Evidence for Bose-Einstein condensation of a two-component exciton gas, Phys.Rev.Lett. 64, 2543 (1990).
- D.W.Snoke, J.P.Wolfe, A. Mysyrowicz, Evidence for Bose-Einstein condensation of excitons in Cu20, Phys.Rev. В 41, 11 171 (1990).
- H.Shi, G. Verechaka, A. Griffin, Theory of radiative decay luminescence spectrum of a Bose-condensed interacting exciton gas, Phys.Rev.В 50, 1119 (1994).
- Iv.E.O'Hara, L.O.Suilleabhain, and J.P.Wolfe, Strong nonradiative recombination of excitons in Cu20 and its impact on Bose-Einstein statistics, Phys.Rev.В 60, 10 565 (1999).
- A.Mysyrowicz, D. Hulin, A. Antonetti, Long Exciton Lifetime in СигО, Phys.Rev.Lett. 43, 1123 (1979).
- В.М.Анисин, А. А. Рогачев, Переход Мотта в системе экситонов в германии, Письма в ЖЭТФ 7, 464 (1968).
- В.М.Анисин, А. А. Рогачев, Конденсация экситонного газа в германии, Письма в ЖЭТФ 9, 415 (1969).
- K.v.Klitzing, G. Dorda, M. Pepper, New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance, Phys.Rev.Lett. 45, 494 (1980).
- D.C.Tsui, H.L.Stormer, and A.C.Gossard, Two-Dimensional Magnetotransport in the Extreme Quantum Limit, Phys.Rev.Lett. 48, 1559 (1982).
- A.Imamoglu, R.J.Ram, S. Pau and Y. Yamamoto, Nonequilibrium condensates and lasers without inversion: Exciton-polariton lasers, Phys.Rev.A 53, 4250 (1996)
- Yu.E.Lozovik, V.I.Yudson, Superconductivity at dielectric pairing of spatially separated quasiparticles, Sol.St.Comms. 19, 391 (1976).
- Yu.E.Lozovik, V.I.Yudson, Electron-hole superconductivity. Influence of structure defects, Sol.St.Comms. 21, 211 (1977).
- I.V.Lerner, Yu.E.Lozovik, Two-dimentional elctron-hole liquid in strong magnetic field, Sol.St.Comms. 23, 453 (1977).
- И.В.Лернер, Ю. Е. Лозовик, Двумерные электрон-дырочные системы в сильном магнитном поле как почти идеальный газ экситонов, ЖЭТФ 80, 1488 (1981) (transl: JETP 53, 763 (1981)).
- И.В.Лернер, Ю. Е. Лозовик, Экситон Мотта в квазидвумерных полупроводниках в сильном магнитном поле, ЖЭТФ 78, 1167 (1980) (transl: JETP 51, 588 (1980)).
- I.V.Lerner, Yu.E.Lozovik, D.R.Musin, Spatially separated electron-hole system in high magnetic field, J.Phys.C. 14, L311 (1981).
- D.Paquet, T.M.Rice, K. Ueda, Two-dimentional electron-hole liquid in strond perpendicular magnetic field: Exciton Bose-condensate or maximum censity two-dimentional droplet, Phys.Rev.B 32, 5208 (1985).
- C.Kallin, B.I.Galperin, Excitations from a filled Landau level in two-dimentional electron gas, Phys.Rev.B 30, 5655 (1984).
- M.Bayer, V.B.Timofeev, F. Faller, T. Gutbrod, and A. Forchel, Direct and indirect excitons in coupled GaAs/A10.30Ga0.70As double quantum wells separated by AlAs barriers, Phys.Rev.B 54, 8799 (1994).
- D.Yoshioka and A.H.MacDonald, Double quantum well electron-hole systems in strong magnetic fields, J.Phys.Soc.Jpn. 59, 4211 (1990).
- A.Imamoglu, Phase-space filling and stimulated scattering of composite bosons, Phys.Rev.B 57, R4195 (1998).
- О.Л.Берман, Ю. Е. Лозовик, Фазовые переходы в системе из лвух квантовых ям, Письма в ЖЭТФ 64, 573 (1996).
- Yu.E.Lozovik, O.L.Berman, V.G.Tsvetus, Phys.Rev.B 59, Phase transitions of electron-hole and unbalanced electron systems in coupled quantum wells in high magnetic fields, 5627 (1999).
- S.I.Shevchenko, Phase diagram of systems with pairing of spatially separated electrons and holes, Phys.Rev.Lett. 72, 3242 (1994).
- Ю.Е.Лозовик, В. И. Юдсон, О возможности сверхтекучести разделенных в пространстве электронов и дырок при из спаривании: новый механизм сверхпроводимости, Письма в ЖЭТФ 22, 556 (1975) (transl: JETP Lett. 22,274 (1975)).
- Ю.Е.Лозовик, В. И. Юдсон, Новый механизм сверхпроводимости: спаривание пространственно разделенных электронов и дырок, ЖЭТФ 71, 1167 (1976) (transl: JETP 44, 389 (1976)).
- S.Conti, G. Vigriale, A.H.MacDonald, Engineering superfluidity in electron-hole double layers, Phys.Rev.B 57, R6846 (1998).
- Xu.Zhu, P.B.Littlewood, M.S.Hybertsen, and T.M.Rice, Exciton Condensate in Semiconductor Quantum Well Structures, Phys.Rev. Lett. 74, 1633 (1995).
- Y.Naveh, B. Laikhtman, Excitonic Instability and Electric-Field-Induced Phase Transition Towards a Two-Dimensional Exciton Condensate, Phys.Rev.Lett. 77, 900 (1996).
- А.В.Ключник, Ю. Е. Лозовик, Влияние межзонных переходов на токовые состояния в системах со спариванием электронов и дырок, ЖЭТФ 76, 670 (1979) (transl: JETP 49, 335 (1979)).
- A.V.Klyuchnik, Yu.E.Lozovik, Interband transitions and currents in systems with electron-hole pairing, J.Phys. С 11, L483 (1978).
- A.V.Klyuchnik, Yu.E.Lozovik, J. Low Temp.Phys. 38, 761 (1980).
- S.P.Cheng, S. Kono, B.D.McCombe, I. Lo, W.C.Mitcel, G.E.Stuts, Evidence for a Stable Excitonic Ground State in a Spatially Separated Electron-Hole System, Phys.Rev.Lett. 74, 450 (1995).
- T.Fulmzawa, E.E.Mendez, J.M.Hong, Phase transition of an exciton system in GaAs coupled quantum wells, Phys.Rev.Lett. 64, 3066 (1990).
- J.A.Kash, M. Zachav, E.E.Mendez, J.M.Hong, T. Fukuzawa, Fermi-Dirac distribution of excitons in coupled quantum wells, Phys.Rev.Lett. 66, 2247 (1991).
- U.Sivan, P.M.Solomon, H. Strikman, Coupled electron-hole transport, Phys.Rev.Lett. 68, 1196 (1992).
- L.V.Butov, A.I.Filin, Anomalous transport and luminescence of indirect excitons in AlAs/GaAs coupled quantum wells as evidence for exciton condensation, Phys.Rev.B 58, 1980 (1998).
- L.B.Butov, A. Zrenner, G. Abstreiter, G. Bohm, G. Weiymann, Condensation of indirect excitons in coupled AlAs/GaAs quantum wells, Phys.Rev.Lett. 73, 304 (1994).
- А.В.Ларионов, В. Б. Тимофеев, И. Хвам, К. Соеренсен, Коллективное поведение межъямных экситонов в GaA-s/AlGaAs двойных квантовых ямах, Письма в ЖЭТФ 71, 174, (2000).
- Th.Ostreich, L.J.Sham, Collective Oscillations Driven by Correlation in the Nonlinear Optical Regime, Phys.Rev.Lett. 83, 3510 (1999).
- L.V.Butov, A.C.Gossarcl, D.S.Chemla, Macroscopically ordered state in an exciton system, Nature 418, 751 (2002)
- Towards Bose-Einstein condensation of excitons in potential traps L.V.Butov, C.W.Lai, A.L.Ivanov, A.C.Gossard, D.S.Chemla, Nature 417, 47 (2002)
- Yu.E.Lozovik, A.V.Poushnov, Magnetism and Josephson effects in a coupled quantum well electron system, Phys.Lett.A 228, 399 (1997).
- Yu.E.Lozovik, A.V.Poushnov, Manifestation of exciton Bose condensation in induced two-phonon emission and Raman scattering, Phys.Rev.B 58, 6608 (1998).
- Th.Ostreich, К. Schonhammer, L.J.Sham, Theory of exciton-exciton correlation in nonlinear optical response, Phys.Rev.B 58, 12 920 (1998).
- B.Laikhman, Coherence of the exciton condensate luminescence, Europhys.Lett. 43, 53 (1998).
- Yu.E.Lozovik, A.M.Ruvinsky, Magnetoexcitons in coupled quantum wells, Phys.Lett. A227, 271 (1997).
- Ю.Е.Лозовик, А. М. Рувинский, Магнитоэкситонное поглощение в связанных квантовых ямах, ЖЭТФ 112, 1791 (1997).
- Yu.E.Lozovik, O.L.Berman, A.M.Ruvinskii, Superfluidity of «dirty» excitons, JETP Lett. 69 616 (1999).
- L.V.Butov, A. Zrenner, G. Abstreiter, A.V.Petinova, K. Eberl, Direct and indirect magnetoexcitons in symmetric InxGal-xAs/GaAs coupled quantum wells, Phys.Rev.B 52, 12 153 (1995).
- X.M.Chen and J.J.Quinn, Excitonic charge-density-wave instability of spatially separated electron-hole layers in strong magnetic fields, Phys.Rev.Lett. 67, 895 (1991).
- J.B.Stark, W.H.Knox, D.S.Chemla et. al, Femtosecond dynamics of excitons under extreme magnetic confinement, Phys.Rev.Lett. 65, 3033 (1990).
- I.C.Rodriguez, S.S.Marker, E.V.Anda, A quantum formalism for a terahertz acoustic laser^Braz.J.of Phys. 26, 694 (1999).
- S.S.Makler, I. Camps, J. Weberszpil, D.E.Tuyarot, A double-barrier generator of terrahertz phonons: many-body effects, J. of Phys.Cond.Matt. 12, 3149 (2000).
- P.A.Fokker, R.S.Meltzer, Y.P.Wang, J.I.Dijkhuis, H.W.de Wijn, Suppression of stimulated phonon emission in ruby by a magnetic-field gradient, Phys.Rev.B 55, 2934 (1997).
- J.Y.Prieur, M. Devaud, J. Joffrin, C. Barre, M. Stenger, Sound amplification by stimulated emission of phonons using two-level systems in glasses, Physica B 220, 235 (1996).
- S.T.Zavtrak, Acoustic laser with dispersed particles as an analog of a free-electron laser, Phys.Rev.E 51, 2480 (1995).
- J.Y.Prieur, R. Hohler, J. Joffrin, M. Devaud, Sound amplification by stimulated emission of radiation in an amorphous compound, Europhys.Lett. 24, 409 (1993).
- J.Frenandez-Rossier, C. Tejedor, R. Merlin, Exciton beats in GaAs quantum wells: bosonic representation and collective effects, Sol.St.Comms. 112, 597 (1999).
- Z.Yu, S. Boseck, Scanning tunneling microscopy and its applications to material characterization, Rev.Mod.Phys. 67, 863, (1995).
- A.A.Gorbatsevich, I.V.Tokatly, Formation of p-space indirect magnetoexcitons in double-quantum-well direct-gap heterostructures, Semicond.Sci. Technol. 13, 288 (1998).
- L.V.Butov, A.V.Mintsev, Yu.E.Lozovik, K.L.Campman, A.C.Gossarcl, From spatially indirect excitons to momentum-space indirect excitons by an in-plane magnetic field, Phys.Rev.B 62, 1548 (2000).
- L.V.Butov, C.W.Lai, D.S.Chemla, Yu.E.Lozovik, K.L.Campman, A.C.Gossarcl, Observation of Magnetically Induced Effective-Mass Enhancement of Quasi-2D Excitons, Phys.Rev.Lett. 87, 216 804 (2001).
- J.Feldmann, G. Peter, E.O.Gobel, P. Dawson, K. Moore, C. Foxon, R.J.Elliot, Linewiclth dependence of radiative exciton lifetimes in quantum wells, Phys.Rev.Lett 59, 2337(1987).
- L.Schultheis, A. Honold, J. Kuhl, K. Kohler, C. W. Tu, Optical dephasing of homogeneously broadened two-dimensional exciton transitions in GaAs quantum wells, Phys.Rev.B 33, 9027 (1986).
- G.Lasher and F. Stern, Spontaneous and stimulated recombination radiation in semiconductors, Phys.Rev. 133, A553 (1964).
- J.M.Jacob, D.M.Kim, A. Bouchalkha, J.J.Sony, J.F.Klem, H. Hou, C.W.Tu, H. Morko^, Spatial characteristics of GaAs, GaAs-like and AlAs-like LO phonons in GaAs/AlGaAs superlattices, strong x dependence, Sol.St.Comms. 91, 721 (1994).
- B.Jusserand, F. Mallot, J.M.Moison, G. Leroux, Atomic-scale roughness of GaAs/AlAs interfaces: a Raman scattering study of asymmetrical short period superlattices, Appl.Phys.Lett. 57, 560 (1990).
- J.Bardeen, W. Shockley, Deformation Potentials and Mobilities in NonPolar Crystals, Phys.Rev. 80, 72 (1950).
- А.И.Ансельм, Ю. А. Фирсов, Длина свободного пробега нелокализо-ванного экситона в атомном кристалле, ЖЭТФ 28, 151 (1955).
- А.И.Ансельм, Ю. А. Фирсов, Длина свободного пробега нелокализо-ванного экситона в полярном кристалле, ЖЭТФ 30, 719 (1956).
- D.F.Walls, G.J.MilBurn, Quantum optics (Springer-'Verlag, Berlin, 1994).
- P.D.Drummond, C.W.Gardiner, Generalized P-representation in quantum optics, J.Phys. A13, 2353 (1980).
- A.S.Lane, M.D.Reicl, D.F.Walls, Quantum analysis of intensity fluctuations in the nonclegenerate parametric oscillator, Phys.Rev.A 38, 788 (1988).
- С.Т.Беляев, Применение методов квантовой теории поля к системе бозе-частиц, ЖЭТФ 34, 417 (1958).
- С.Т.Беляев, Энергетический спектр неидеального бозе-газа, ЖЭТФ 34, 433 (1958).
- А.Ф.Андреев, Теплопроводность промежуточного состояния сверхпроводников, ЖЭТФ 46, 1823 (1964).
- G.E.Blonder, M. Tinkham, and T.M.Klapwick, Transition from metallic to tunneling regimes in superconducting microconstrictions: Excess current, charge imbalance, and supercurrent conversion, Phys.Rev.B 25, 4515 (1982).
- R.T.Elliot, R. Loudon, Theory of the absorption edge in semiconductors in high magnetic field, J.Phys.Chem.Solids 15, 196 (1950).
- R.Hanbury-Brown and E.W.Twiss, Correlation between photons in two coherent beams of light, Nature 177, 27 (1956).
- V.V.Krivolapchuk, E.S.Moskalenko, A.L.Zhmodikov, T.S.Cheng, C.T.Foxon, Sol.St.Comms. Ill, 49 (1999).
- G.E.W.Bauer, Precursors of the excitonic insulator in excited quantum wells, Phys. Scripta T45, 154 (1992).
- А.Б.Дзюбенко, Ю. Е. Лозовик, Точные решения и преобразование Боголюбова для квазинульмерных электрон-дырочных систем, Физика Твердого Тела 25, 874 (1983).
- A.B.Dzyubenko, Yu.E.Lozovik, Symmetry of Hamiltonians of quantum two-component system, condensate of quasiparticles as an exact eigenstate, J.Phys. A24, 415 (1991).
- Л.П.Горьков, И. Е. Дзялошинский, К теории экситона в сильном магнитном поле, ЖЭТФ 53, 717 (1967).
- Приближение фиксированных длин волновых векторов фотонов
- Полагая, что Щ = ко, i = 1. N — 1, дифференциалы пространств волновых векторов можно записать какkldiü-id cos 9id (j)i с (2ла ¿--функцию по энергии какс1. Ек, i= 1- к0 (6.40)
- Матричный элемент трехэкситонной рекомбинации зависит лишь от энергий трех фотонов и можно проинтегрировать по остальным переменным, б)
- Интегрирование по сферическим углам фотонов упрощает выражение (6.38) в случае трехэкситонной рекомбинации как
- Тот факт, что сое #2 = —½ означает, что угол, под которым направлены друг к другу волновые вектора фотонов, равен 27г/3, как это и должно быть. скц)~15 (72(1 + cos 02) 1) = (ск0)~15{cos + ½)6.41)1. Б. Случай четырех фотонов
- Интегрирование по сферическим углам третьего фотона упрощает выражение (6.38) какг kl dut 2... -^—— 7-- —г-cos UidOj.
- J c2|ki +k2| (2тг) t= с (2тг)3
- Окончательно получаем, что в случае четырехэкситонной рекомбинации, выражение (6.38) можно представить в следующем видеki г, Л du*