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Thèse Année : 2014

Quantum engineering of collective states in semiconductor nanostructures

Ingénierie quantique des états collectifs dans des nanostructures semiconductrices

Résumé

This work focuses on the many-body properties of semiconductor nanostructures for quantum engineering of infrared optoelectronic devices. In particular, we theoretically investigate the optical response accounting for collective effects in systems of tunnel-coupled quantum wells. A clear manifestation of these effects appears in the optical spectrum of highly doped quantum wells, where the absorption peaks are at completely different energies with respect to the single-particle electronic transitions. We calculate light-matter interaction in two steps. First, we consider the microscopic polarization associated with the electronic transitions between confined levels of the wells, which are all coupled by dipole-dipole Coulomb interaction. Then we calculate the interaction of the resulting collective states with the electromagnetic field. The absorption spectrum is finally 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 des effets multicorps dans des nanostructures semiconductrices pour l'ingénierie quantique de dispositifs optoelectroniques infrarouges. Plus particulièrement, nous étudions la réponse optique de gaz d’électrons confinés dans des puits quantiques couplés par effet tunnel, en incluant les effets collectifs. On peut trouver une manifestation de ces effets dans les spectres d'absorption de puits quantiques très dopés, qui présentent des résonances optiques à des énergies complètement différentes par rapport aux transitions électroniques. L’interaction lumière-matière est calculée en deux étapes. Nous commençons par considérer les polarisations microscopiques associées aux transitions électroniques entre niveaux confinés des puits quantiques. Le couplage dipôle-dipôle entre polarisations électroniques donne lieu 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.
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Dates et versions

tel-01132396 , version 1 (17-03-2015)
tel-01132396 , version 2 (27-04-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01132396 , version 1

Citer

Giulia Pegolotti. Quantum engineering of collective states in semiconductor nanostructures. Condensed Matter [cond-mat]. Universite Paris Diderot-Paris VII, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01132396v1⟩
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