Theoretical studies of optical transitions in semiconductor quantum structures

Abstract

Nanotechnologically fabricated structures out of compound semiconductor materials make up the functional parts in LEDs, in semiconductor lasers and in electronics components. The small size of the structures evidently leads to requiring the modeling to look at phenomena at the quantum level. Especially for optoelectronical devices, one needs to treat the interaction between light and semiconductor material. This research adds to the understanding of inter-pretations of light-matter interaction phenomena and makes it possible to find totally new and undiscovered functionalities in semiconductor nanostructures. This thesis presents work on modeling and creates new theoretical foundations for phenom-ena appearing in semiconductor quantum structures. Of special interest has been to generate a theoretical description to such phenomena that have been caused by an optical field and in which one sees changes, e.g., in angular momentum or spatial distribution of excited states. Basically, two kinds of structures are examined, quantum rings and wells. A quantum ring is a toroidal object of which volume is very small, but its diameter can be significant when com-pared to the wavelength of light. Another class of systems under study is a double quantum well structure, where there are two quantum wells on both sides of a tunnel barrier. In this system, the type-I and type-II semiconductor band-structure properties become combined in spatial coordinates, since the electrons and holes can occupy either the same or the separate quantum wells. The two most interesting results are the angle-of-emission dependent photoluminescence from the quantum rings and the coherent control of vertical transport of desired quasiparticles through material interfaces in the quantum-well system in a selective manner. Since the ob-tained results on quantum rings are closely connected to the orbital-angular-momentum coupling between light and matter, they can prove to be important in different quantum infor-mation schemes where this angular-momentum aspect of light has been found to be highly beneficial. In quantum optics, there already are visible trends towards this direction. The predicted coherent control in a double-quantum-well system may mean a large technological progress, since by utilizing this effect one can study transport properties between materials over an interface, one of the most interesting examples of such phenomena being the transfer of quantum correlations through the interface without changing the local densities of electrons.

Puolijohdemateriaaleista valmistetut nanorakenteet ovat funktionaalinen osa ledeissä, puoli-johdelasereissa ja elektroniikan komponenteissa. Rakenteiden pieni koko johtaa väistämättä siihen, että toiminnallisuuden mallintaminen ja ymmärtäminen edellyttää kvanttimaailman ilmiöiden tarkastelua. Optoelektronisten laitteiden teoreettisen tutkimuksen kannalta tämä tarkoittaa valon ja puolijohdemateriaalin välisen vuorovaikutuksen tutkimista. Tämä tutkimus lisää tietämystä siitä kuinka valo ja materia vuorovaikuttavat keskenään sekä mahdollistaa täysin uusien toiminnallisuuksien löytämisen. Väitöskirjassa luodaan uutta pohjaa kvanttirakenteissa esiintyvien ilmiöiden selittämiseen. Mielenkiinnon kohteena on ollut generoida teoreettinen kuvaus sellaisille optisen kentän ai-heuttamille ilmiöille, joissa puolijohteiden viritystiloissa nähdään muutoksia esimerkiksi liikemäärässä tai spatiaalisessa jakaumassa. Työssä tarkastellaan kahta rakennetyyppiä, kvant-tirenkaita ja -kaivoja. Kvanttirengas on toroidin muotoinen objekti, joka on tilavuudeltaan hyvin pieni. Toinen tarkasteltava systeemi on kaksoiskaivorakenne, jossa tyypillisen kvantti-kaivon sijasta onkin kaksi kaivoa yhden tunnelointikerroksen eri puolilla. Jälkimmäisessä rakenteessa yhdistyvät tyypin I ja tyypin II puolijohdeominaisuudet paikka-avaruudessa, jossa elektronit ja aukot voivat olla joko samassa tai vaihtoehtoisesti eri kaivossa. Tärkeimmät tulokset ovat kvanttirenkaiden tapauksessa löydetty valon emissiokulmasta riippuva fotoluminesenssi sekä kaksoiskaivorakenteen yhteydessä ennustettu eri kvasi-hiukkasten paikan koherentti kontrollointi selektiivisesti. Koska tulokset kvanttirenkaiden osalta ovat kiinteästi yhteydessä ratakulmaliikemäärän vaihtoon sähkömagneettisen kentän ja puolijohteen kvanttitilojen välillä, voivat saavutetut tulokset osoittautua merkittäviksi kvantti-informaatioteknologian eri osa-alueilla. Tämäntyyppisestä trendistä on paljon viitteitä kvanttioptiikan alalla. Kaivorakenteessa löydetty kvasihiukkasten kontrollointi saattaa merkitä suurta teknologista edistysaskelta, sillä hyödyntämällä tätä efektiä voidaan tutkia kulkeutumisprosesseja eri materiaalien välillä, joista erityisen mielenkiintoinen esimerkki on sellainen ilmiö, jossa kvanttikorrelaatiot siirtyvät rajapinnan yli vaikuttamatta hiukkasten sijaintiin.