Nonequilibrium plasmons in optically excited semiconductors

An analysis of the nonequilibrium plasmon spectrum of optically excited semiconductors is presented. It is shown that semiconductors with preexisting carrier populations, due, e.g., to a prepump or doping, may exhibit a rich collective excitation spectrum including additional plasmon modes. If these modes are weakly damped they give rise to an essential acceleration of thermalization processes. It is found that the most favorable conditions for this effect to appear are low temperature and p doping. These theoretical predictions are fully confirmed by results of comprehensive pump-probe experiments on bulk GaAs in the presence of a prepump and in doped samples

Quantum kinetics and thermalization in a particle bath model

We study the dynamics of relaxation and thermalization in an exactly solvable model of a particle interacting with a harmonic oscillator bath. Our goal is to understand the effects of non-Markovian processes on the relaxational dynamics and to compare the exact evolution of the distribution function with approximate Markovian and Non-Markovian quantum kinetics. There are two different cases that are studied in detail: i) a quasiparticle (resonance) when the renormalized frequency of the particle is above the frequency threshold of the bath and ii) a stable renormalized `particle' state below this threshold. The time evolution of the occupation number for the particle is evaluated exactly using different approaches that yield to complementary insights. The exact solution allows us to investigate the concept of the formation time of a quasiparticle and to study the difference between the relaxation of the distribution of bare particles and that of quasiparticles. We derive a non-Markovian quantum kinetic equation which resums the perturbative series and includes off-shell effects. A Markovian approximation that includes off-shell contributions and the usual Boltzmann equation (energy conserving) are obtained from the quantum kinetic equation in the limit of wide separation of time scales upon different coarse-graining assumptions. The relaxational dynamics predicted by the non-Markovian, Markovian and Boltzmann approximations are compared to the exact result. The Boltzmann approach is seen to fail in the case of wide resonances and when threshold and renormalization effects are important.Comment: 39 pages, RevTex, 14 figures (13 eps figures

Relaxation femtoseconde des électrons dans les semiconducteurs en régime non-markovien

Le travail présenté ici porte sur la relaxation des électrons dans les semiconducteurs et plus particulièrement dans l'arséniure de gallium. L'approche est à la fois expérimentale (lasers femtosecondes) et théorique (équations de Bloch pour semiconducteurs et cinétique quantique). Il nous renseigne sur les processus fondamentaux, notamment les collisions, qui permettent aux électrons de changer d'énergie et déterminent la rapidité des dispositifs électroniques ou optoélectroniques. 
L'étude repose sur l'utilisation de lasers à impulsions femtosecondes et sur une méthode pompe-sonde originale car non-dégénérée : l'impulsion pompe injecte des électrons et des trous en un temps très bref, tandis que l'impulsion sonde est accordée sur une autre transition utilisant une bande de valence plus profonde car découplée par l'interaction spin-orbite. Il est ainsi possible de suivre, avec une résolution temporelle de 30 fs, l'évolution de la distribution des électrons, et des électrons seulement, sans la superposer à celle des trous. 
On observe pour la première fois les tout premiers instants de la relaxation des électrons pour lesquels la distribution est encore complètement hors d'équilibre, jusqu'à la thermalisation qui se fait très rapidement, en moins de 300 fs. En parallèle, l'étude théorique montre la nécessité d'une description non-markovienne des processus (c'est-à-dire tenant compte du passé des distributions) que l'on prend en compte avec la théorie de la cinétique quantique utilisée dans le cadre des équations de Bloch pour semiconducteurs. L'équation de Boltzmann et la règle d'or de Fermi ne sont en effet plus valables pour des échelles de temps aussi courtes. L'accord théorie-expérience est d'autant plus remarquable qu'aucun paramètre ajustable n'a été requis. 
L'influence de plusieurs paramètres expérimentaux a aussi été étudiée : une forte densité de porteurs injectés ralentit la relaxation, alors que la présence initiale de porteurs froids l'accélère fortement. L'excès d'énergie initial donné aux électrons est en revanche de peu d'influence. Nous avons aussi adapté notre méthode à l'étude de la relaxation dans les structures à puits quantiques et nous en présentons les premiers résultats

Nonequilibrium plasmons in optically excited semiconductors

International audienceAn analysis of the nonequilibrium plasmon spectrum of optically excited semiconductors is presented. It is shown that semiconductors with preexisting carrier populations, due, e.g., to a prepump or doping, may exhibit a rich collective excitation spectrum including additional plasmon modes. If these modes are weakly damped they give rise to an essential acceleration of thermalization processes. It is found that the most favorable conditions for this effect to appear are low temperature and p doping. These theoretical predictions are fully confirmed by results of comprehensive pump-probe experiments on bulk GaAs in the presence of a prepump and in doped samples. Cop. 2000 The American Physical Societ

Experimental Evidence for the Effect of Acoustic Plasmons on Carrier Relaxation in Bulk Semiconductors

We demonstrate experimentally the role of pre--existing populations on the relaxation of nonequilibrium carriers in bulk semiconductors: A substantial acceleration is observed for cold pre--excited carriers and a slowing down for hot equilibrium carriers. Furthermore, experiments in doped samples demonstrate that holes are predominantly responsible for the acceleration of the thermalization. The experimentally observed acceleration (slowing down) is readily explained theoretically by favorable (unfavorable) conditions for the excitation of weakly damped acoustic plasmons. Typeset using REVT E X The relaxation of nonequilibrium carriers in semiconductors and the processes involved have attracted the attention of researchers from the fundamental point of view but are also very important for the functioning of electronic and optoelectronic semiconductor devices. A few researchers have studied the relaxation dynamics of a nonequilibrium population in the presence of equilibrium carrier..