Relevance of intra- and inter-subband scattering on the absorption in heterostructures

We analyze the absorption lineshape for inter-subband transitions in disordered quasi two-dimensional heterostructures by an exact calculation. The intra-subband scatterings control the central peak, while the tails of the absorption line are dominated by the inter-subband scattering terms. Our numerical study quantitatively assesses the magnitude of the free carrier absorption. The accuracy of different models currently used for gain/absorption is discussed

Quantum vacuum properties of the intersubband cavity polariton field

We present a quantum description of a planar microcavity photon mode strongly coupled to a semiconductor intersubband transition in presence of a two-dimensional electron gas. We show that, in this kind of system, the vacuum Rabi frequency $\Omega\_R$ can be a significant fraction of the intersubband transition frequency $\omega\_{12}$. This regime of ultra-strong light-matter coupling is enhanced for long wavelength transitions, because for a given doping density, effective mass and number of quantum wells, the ratio $\Omega\_R/\omega\_{12}$ increases as the square root of the intersubband emission wavelength. We characterize the quantum properties of the ground state (a two-mode squeezed vacuum), which can be tuned {\it in-situ} by changing the value of $\Omega\_R$, e.g., through an electrostatic gate. We finally point out how the tunability of the polariton quantum vacuum can be exploited to generate correlated photon pairs out of the vacuum via quantum electrodynamics phenomena reminiscent of the dynamic Casimir effect.Comment: Final version accepted in PR

Direct surface cyclotron resonance terahertz emission from a quantum cascade structure

A strong magnetic field applied along the growth direction of a semiconductor quantum well gives rise to a spectrum of discrete energy states, the Landau levels. By combining quantum engineering of a quantum cascade structure with a static magnetic field, we can selectively inject electrons into the excited Landau level of a quantum well and realize a tunable surface emitting device based on cyclotron emission. By applying the appropriate magnetic field between 0 and 12 T, we demonstrate emission from a single device over a wide range of frequencies (1-2 THz and 3-5 THz)

Intraband transitions in quantum dot-superlattice heterostructures

8 pages, 10 figuresWe present a scheme of adjusting the mid-infrared absorption properties to desired energy transitions in quantum dot-based photodetectors by combining band gap engineering with the self-organized growth of quantum dots. Embedding the self-organized InAs quantum dots into an AlAs/GaAs superlattice enables us to tune the optical transition energy by changing the superlattice period as well as by changing the growth conditions of the dots. Using a one-band envelope function framework, we are able, in a three-dimensional calculation, to predict the absorption spectra of these devices as well as their polarization properties. These calculations further predict a strong impact of the dots on the superlattice minibands. By comparing aligned, periodic dot stacks with nonperiodic dot arrangements within the superlattice, we can experimentally confirm this prediction

Relaxation et décohérence des polarons dans les boîtes quantiques de semi-conducteurs

Cette thèse présente une étude théorique des interactions électron-phonon dans les boîtes quantiques InAs/GaAs, où le régime de couplage fort entre les porteurs confinés dans les boîtes et les phonons optiques a pour conséquence la formation d'états intriqués appelés polarons. Nous prenons tout d'abord en compte le couplage fort entre excitons et phonons optiques afin de calculer l'absorption interbande sous champ magnétique. Nous calculons ensuite le temps de vie des états polarons, dont l'instabilité est due à leur composante phonon. Nous démontrons la nécessité de prendre en compte de manière détaillée les différents processus anharmoniques, dont l'efficacité dépend fortement de l'énergie du polaron. Ces calculs permettent d'expliquer les variations non monotones du temps de vie mesuré des polarons avec leur énergie. Nous étudions ensuite la dynamique de relaxation dans les boîtes doublement chargées, où l'interaction spin-orbite, associée aux couplages électron-phonon, entraîne des processus de retournement du spin entre états singulets et triplets. Finalement, nous étudions la cohérence optique de la transition intrabande fondamentale, dont l'élargissement avec la température est dû aux transitions réelles et virtuelles vers le deuxième état excité.PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Etude théorique des propriétés non-classiques de la lumière émise par des microcavités semiconductrices dans le régime de couplage fort

Ce mémoire de thèse a pour sujet l'étude théorique des propriétés non-classiques de la lumière émise par les microcavités semiconductrices dans le régime de couplage fort. Dans ce cadre, nous avons étudié ces structures comme des sources de photons uniques ou de photons jumeaux. Nous avons démontré dans un premier temps l'opportunité de créer une source de lumière de statistique sub-poisonnienne à partir de structures photoniques confinées. Pour des boîtes photoniques suffisamment étroites au sein de microcavités semiconductrices, on atteint un régime non-linéaire tel que l'introduction d'un seul photon suffit à décaler la résonance d'absorption de la structure de plus d'une largeur de raie, engendrant le phénomène de blocage quantique. Nous avons montré qu'en utilisant ce mécanisme de blocage, il est possible de créer une source de photons uniques originale, dont nous avons présenté les caractéristiques. Nous avons présenté les différents aspects de son fonctionnement tant en régime continu qu'en régime pulsé. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de corrélation entre paires signal et complémentaire émises par fluorescence paramétrique dans une configuration d'excitation symétrique dans une microcavité planaire. En utilisant l'algorithme de Monte Carlo quantique, nous avons montré qu'il existe des corrélations quantiques entre ces deux faisceaux. En étudiant l'impact du désordre (qui brise l'invariance par translation) de la cavité sur ces corrélations, nous montrons que celui-ci dégrade le caractère quantique des corrélations lorsque l'intensité de l'excitation est modérée. La dépendance en intensité des corrélations quantiques entre faisceaux a été caractérisée au-dessus et en-dessous du seuil d'instabilité paramétrique, nous permettant d'identifier le régime où le caractère non-classique du système est maximal.PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Modélisation et optimisation de l émission THz par des oscillations de Bloch

Cette thèse présente une étude théorique des oscillations de courant et l'émission de lumière THz dans les super-réseaux de semi-conducteur polarisés soumis à une excitation optique pulsée. Ce travail a été fait en étroite collaboration avec des expérimentateurs. Ceci a permis de faire des comparaisons entre la théorie et l'expérience. Dans la dernière partie de cette thèse, nous poursuivons notre étude en incluant les effets sur les oscillations de courant d'un champ magnétique parallèle au champ électrique de polarisation. Nous modélisons par une approche quantique la dynamique des porteurs de charge dans les super-réseaux lors d'une excitation optique femtosecondes au moyen des états de Wannier-Stark et excitoniques. Tous les paramètres mis en jeu dans le phénomène des oscillations de courant sont discutés. De même, nous donnons les éléments nécessaires à l'optimisation de l'émission THz. L'excellent accord entre les calculs et les résultats expérimentaux donne crédit à notre modélisation. Finalement, nous incluons les effets sur l'amplitude du courant et de l'émission suite à l'application d'un champ magnétique intense appliqué parallèlement au champ de polarisation. Nous prédisons d'importantes modifications du spectre des oscillateurs, associées à la quantification additionnelle du quasi-continuum existant dans le plan perpendiculaire au champ électrique en l'absence du champ magnétique.PARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

16th International Conference on Electron Dynamics In Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON)

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