Ultrafast Dynamical properties of strongly interacting systems under nonlinear coherent photoexcitation by multiple ultrashort laser pulses
Υπερταχείς δυναμικές ιδιότητες με ισχυρές αλληλεπιδράσεις κάτω από μη γραμμική διέγερση από πολλαπλούς παλμούς laser
Καραδημητρίου, Μιχάλης Ε.
Ρακιτζής, Πέτρος
Περάκης, Ηλίας
Ηλιόπουλος, Ελευθέριος
Τσιρώνης, Γιώργος
Ζώτος, Ξενοφών
Τζανετάκης, Παναγιώτης
Φρουδάκης, Γεώργιος
Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε μια θεωρία πολλών
σωμάτων για την υπερταχή μη γραμμική οπτική απόκριση σε ημιαγωγούς και
συστήματα με υψηλά συσχετισμένη θεμελιώδη κατάσταση, όπως το κβαντικό
σύστημα Hall (QHS). Η θεωρία μας βασίζεται σε μια κατάτμηση των
εξισώσεων κίνησης του τελεστή πυκνότητα, απουσία μιας μικρής παραμέτρου
αλληλεπίδρασης που λαμβάνεται υπόψη για να αναπτύξουμε σε όρους του
οπτικού πεδίου, και με τη χρήση τελεστών Hubbard με στόχο να περιγράψουμε
την ακριβή δυναμική του συστήματος, μέσω ενός κβαντικού υπόχωρου
καταστάσεων πολλών σωματιδίων.
Στην χρονική κλίμακα των femptosecond και picosecond προσδιορίζουμε το
“αποτύπωμα” των μη στιγμιαίων αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μαγνητο-
εξιτονίων (X) και του ασυμπίεστου δισδιάστατου ηλεκτρονιακού αερίου (2ΔΗΑ)
, που περιγράφονται από την σύζευξη των μαγνητο-εξιτονίων ανάμεσα σε δύο
επίπεδα Landau με τις συλλογικές διεγέρσεις του ηλεκτρονιακού αερίου
(magnetoroton (MR) και magnetoplasmon (MP)).
Δείχνουμε ότι η ισχυρή σύζευξη με τις παραπάνω διεγέρσεις αλλάζει τη
διαχρονική εξέλιξη των μη γραμμικών οπτικών φασμάτων σε σύγκριση με την
“Προσέγγιση τυχαίων φάσεων” (RPA) και οδηγεί σε συντονισμό απορρόφησης.
Υπολογίζουμε το “τριών παλμών” FWM (Four Wave Mixing) σήμα, του οποίου η
εξάρτηση από τις χρονικές καθυστερήσεις ανάμεσα στους παλμούς
αντικατοπτρίζει την απώλεια φάσης και την χαλάρωση του έντονα
συσχετισμένου συστήματος X - 2ΔΗΑ.
Τα παραπάνω αποδεικνύουν ότι η δυναμική της αλληλεπίδρασης X - 2ΔΗΑ
μπορεί να επιλυθεί με femtosecond οπτικούς παλμούς. Τα αποτελέσματά μας
ρίχνουν φως σε ανεξερεύνητες sub-picosecond περιοχές του QHS και μπορούν
να χρησιμοποιηθούν για να ερμηνεύσουν πειράματα δισδιάστατης
φασματοσκοπίας συσχετισμένων συστημάτων.
(EL)
In this thesis we present a non-equilibrium many{body formulation of the coherent ultrafast nonlinear optical response of doped semiconductors
and systems with a strongly correlated ground state, such as the quantum Hall system (QHS). Our theory is based on a truncation of the density matrix equations of motion in the absence of a small interaction parameter, obtained by expanding in terms of
the optical field and by using Hubbard operator density matrices to describe the exact dynamics within a subspace of many{body
states. We identify signatures of non{instantaneous interactions between magnetoexcitons (X) and the incompressible two{dimensional
electron gas (2DEG) during femto- and pico-second timescales by
describing X coupling to inter-Landau level magnetoroton (MR) and
magnetoplasmon (MP) excitations. We show that strong X coupling
to X+MR configurations changes the temporal evolution of the nonlinear optical spectra as compared to the Random Phase Approximation (RPA). and leads to an absorption resonance. We calculate the three-pulse four-wave mixing signal, whose dependence on frequency and two time delays reflects the dephasing and relaxation of the strongly coupled X-2DEG system, and demonstrate that the dynamics of the X-2DEG interaction process can be resolved with femtosecond optical pulses. Our results shed light into unexplored sub-picosecond and coherent dynamics of the QHS and may be used to interpret and guide two-dimensional correlation spectroscopy experiments.
(EN)
