Quantum engineering of collective states in semiconductor nanostructures

• Auteur / Autrice : Giulia Pegolotti
• Direction : Angela Vasanelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Puits quantiques

Logique quantique

Gaz d'électrons

Semiconducteurs

Nanostructures

Résonance plasmonique de surface

Résumé

The main focus of this PhD work is the theoretical study of the optical response of dense electron gases confined in semiconductor quantum wells. In such systems, the absorption spectra present optical resonances at completely different energies with respect to the quantum well electronic transitions. These resonances are associated with the excitation of collective states, renormalized by Coulomb interaction. Most of this work is devoted to the development of a model of the optical response accounting for collective effects in systems of tunnel-coupled quantum wells. The light-matter interaction is calculated in two steps. We start from the microscopic polarizations associated with the electronic transitions between confined levels of the wells. Dipole-dipole coupling between electronic polarizations causes the appearance of collective states, whose interaction with the electromagnetic field is then considered. As a result, the absorption spectrum is expressed in terms of microscopic currents, describing the collective charge oscillations. The theoretical model is applied to a series of relevant systems, and its outcomes are compared with experimental results. As the collective states are issued from the coherent superposition of several electronic excitations, they have the properties of superradiant states. They are thus a promising entity for the realization of efficient light emitters in the mid- and far - infrared frequency range.

Ce travail de thèse est centré sur l'étude théorique de la réponse optique de gaz d'électrons denses confinés dans des puits quantiques semiconducteurs. Dans ces systèmes, les spectres d'absorption présentent des résonances optiques à des énergies complètement différentes par rapport aux transitions électroniques du puits quantique. Ces résonances correspondent à des excitations collectives, rénormalisées par l'interaction de Coulomb. La partie principale de ce travail concerne le développement d'un modèle de la réponse optique qui décrit les effets collectifs dans des systèmes des puits quantiques couplés par effet tunnel. L'interaction lumière-matière est calculée en deux étapes. Nous commençons par considérer les polarisations microscopiques associées avec les transitions électroniques entre niveaux confinés dans les puits quantiques. Le couplage dipôle-dipôle entre polarisations électroniques donne lia. à des états collectifs, dont nous calculons successivement l'interaction avec le champ électromagnétique. Le spectre d'absorption est donc exprimé au travers de courants microscopiques, qui décrivent les oscillations collectives de charge. Le modèle théorique est appliqué à des systèmes pertinents et ses prédictions sont comparées aux résultats expérimentaux. Comme les états collectifs sont issus de la superposition cohérente de plusieurs excitations électroniques, ils ont les propriétés d'états superradiants. Ils représentent ainsi un système prometteur pour la réalisation de sources lumineuses efficaces dans les régions spectrales du moyen et lointain infrarouge.