Light Propagation and Many-Particle Effects in Semiconductor Nanostructures

In dieser Arbeit wird eine Theorie vorgestellt, welche die quantenmechanische Vielteilchenphysik der Licht-Materie Wechselwirkung in Halbleiternanostrukturen beschreibt. Diese mikroskopische Beschreibung wird durch Kombination eines allgemeinen Dichtematrixansatzes mit speziellen Methoden zur Auswertung der Maxwellgleichungen wie der zeitaufgelösten Finite-Differenzen-Methode (FDTD) erreicht. Die Theorie wird auf verschiedene physikalische Situationen angewendet, wie z.B. Lichtausbreitung in Volumenhalbleitern, Interband- und Intersubbandübergänge in Quantenfilmstrukturen und optische Anregung von Quantenpunkten. Der Fokus liegt dabei auf der Beschreibung der linearen und nichtlinearen Antwort des Vielteilchensystems und seiner Ankopplung an das elektromagnetische Feld. In diesem Zusammenhang wird sowohl die Erzeugung als auch der Zerfall von optischen Anregungen untersucht, indem verschiedene Kopplungsmechanismen wie Elektron-Phonon-, Elektron-Photon- und Elektron-Elektron-Wechselwirkung berücksichtigt werden. Im Bereich der linearen Optik, also für Anregung mit geringer Intensität, ermöglicht die Theorie die Berechnung von Absorptionsspektren. Verschiedene Effekte in linearer Optik werden in dieser Arbeit untersucht und beschrieben: Linienaufspaltung durch Polaritonen im Volumenmaterial, Zunahme der Linienbreite bei Intersubbandübergängen verursacht durch Elektron-Elektron- und Elektron- Phonon-Streuung in einzelnen Quantenfilmen, Bildung einer optischen Bandlücke durch starke radiative Kopplung in Vielfilmstrukturen in Bragg-Geometrie, Phononenseitenbänder verursacht durch quantenkinetische Effekte in einzelnen Quantenpunkten und schliesslich Superradianz und Interferenzeffekte in Quantenpunktgittern. Bei nichtlinearer Anregung treten Dichte-Rabiflops als fundamentale Prozesse in allen betrachteten Systemen auf und können als kohärente Be- und Entvölkerung von quantenmechanischen Zuständen beobachtet werden. Der Einfluss von starker Lichtkopplung und verschiedenen Wechselwirkungen auf dynamische Größen wie die Besetzung wird untersucht. Bei nichtlinearer Propagation, bei der sich ein starker Lichtpuls über längere Strecken in einem System bewegt, wird selbstinduzierte Verstärkung der Transmission näher betrachtet. Des weiteren werden von der Coulombwechselwirkung verursachte nichtlineare Effekte wie exzitoninduziertes Dephasieren in Volumenmaterial und verschränkte Zustände in Quantenpunkten untersucht, die einen Zusammenbruch der Hartree-Fock- Näherung darstellen. Zusammenfassend werden in dieser Arbeit verschiedene lineare und nichtlineare optische Effekte in Halbleiternanostrukturen verschiedener Dimensionalität mit Hilfe einer allgemeinen Theorie, die einen Dichtematrixansatz mit den Maxwellschen Gleichungen kombiniert, untersucht.