Study of parabolic quantum well microcavities and terahertz time domain spectroscopy in the bosonic cascade regime

Abstract

The present dissertation is focused on the study of semiconductor microcavities with embedded quantum wells. The devices are based on the strong coupling between light (photons in a cavity) and matter (excitons in quantum wells), forming new quasiparticles called polaritons. Such structures aim to provide an alternative way of generating THz photons utilizing a bosonic cascade phenomenon. The cascade is based on a series of sequential transitions of bosons from equidistant energy levels and in the process THz photons are emitted. The work presented here is divided into two parts. The first part deals with a study of semiconductor structures based on a single parabolic quantum well. The second part describes the development and evaluation of a THz time domain spectrometer aimed to study bosonic cascade. In the first part we show that the parabolic quantum well exhibits the expected equally spaced excitonic transitions. We observe quantum beating at THz frequencies between the discrete energy levels of quantum well excitons. When a single parabolic quantum well is placed in a microcavity, the full structure shows a clear anticrossing between heavy hole / light hole excitons and the cavity mode, revealing the strong coupling regime. Furthermore, under non-resonant optical excitation, the microcavity exhibits non-linear stimulated emission. In addition, a relaxation dynamics study shows that excitons relax much faster in the parabolic potential compared to a structure with conventional rectangular quantum wells. The theoretical modeling of relaxation dynamics qualitatively agrees with the experimental results and predicts the time evolution of exciton densities at each level of the parabolic quantum well, along with the photoluminescence contribution of each transition. The second part deals with the development and evaluation of a THz time domain spectrometer which allows measurements of THz emission as well as optically induced modulation of THz transmission, gain, and absorption. The setup provides the ability of performing such experiments in cryogenic environment at a temperature range of 14-300 K. Preliminary results on absorption/gain measurements on parabolic quantum well microcavities are also presented.

Η παρούσα εργασία εστιάζεται στη μελέτη ημιαγωγικών μικροκοιλοτήτων με κβαντικά πηγάδια. Οι δομές αυτές στηρίζονται στην ισχυρή σύζευξη μεταξύ φωτός (φωτόνια στη μικροκοιλότητα) και ύλης (εξιτόνια στα κβαντικά πηγάδια), δημιουργώντας νέα ψευδοσωματίδια που ονομάζονται πολαριτόνια. Τέτοιες δομές μπορούν να προσφέρουν έναν εναλλακτικό τρόπο εκπομπής THz ακτινοβολίας, χρησιμοποιώντας το φαινόμενο των μποζονικών αλυσιδωτών μεταβάσεων από ισαπέχουσες ενεργειακές καταστάσεις. Η εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος ασχολείται με τη μελέτη ημιαγωγικών δομών βασισμένων σε κβαντικά πηγάδια με παραβολικό δυναμικό. Το δεύτερο μέρος περιγράφει την ανάπτυξη και τη δοκιμή ενός THz φασματομέτρου για τη μελέτη των μποζονικών αλυσιδωτών μεταβάσεων. Στο πρώτο μέρος δείχνουμε ότι το παραβολικό κβαντικό πηγάδι εμφανίζει τα αναμενόμενα ισαπέχοντα ενεργειακά επίπεδα. Παρατηρούμε κβαντικές ταλαντώσεις (quantum beating) σε συχνότητες THz μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων των εξιτονίων του κβαντικού πηγαδιού. Όταν το παραβολικό κβαντικό πηγάδι εμπεριέχεται σε μικροκοιλότητα, η δομή δείχνει τη χαρακτηριστική συμπεριφορά απουσίας τομής (anticrossing) μεταξύ εξιτονίων βαριών/ελαφριών οπών και του φωτονικού ρυθμού, αποδεικνύοντας έτσι το καθεστώς ισχυρής σύζευξης. Επιπλέον, υπό μη συντονισμένη οπτική διέγερση, η μικροκοιλότητα εμφανίζει μη-γραμμική εξαναγκασμένη εκπομπή. Στη συνέχεια, η μελέτη δυναμικής έδειξε ότι τα εξιτόνια αποδιεγείρονται πιο γρήγορα στο παραβολικό δυναμικό συγκριτικά με μία δομή με κβαντικά πηγάδια τετραγωνικού δυναμικού. Η θεωρητική ανάλυση της δυναμικής αποδιεγέρσεων συμφωνεί ποιοτικά με τα πειραματικά αποτελέσματα και περιγράφει τη χρονική εξέλιξη των εξιτονικών πληθυσμών σε κάθε επίπεδο του παραβολικού κβαντικού πηγαδιού μαζί με τη συνεισφορά κάθε μετάβασης στη συνολική φωτοφωταύγεια. Στο δεύτερο μέρος περιγράφουμε την ανάπτυξη και τη δοκιμή ενός THz φασματομέτρου το οποίο επιτρέπει τη μέτρηση THz εκπομπής καθώς και την αλλαγή που προκαλεί εξωτερική οπτική διέγερση, στη διαδιδόμενη στο δείγμα THz ακτινοβολία. Η διάταξη προσφέρει τη δυνατότητα μετρήσεων σε θερμοκρασίες από 14 έως 300 Κ. Παρουσιάζονται επίσης τα πρώτα αποτελέσματα απορρόφησης/ενίσχυσης σε ημιαγωγική δομή μικροκοιλότητας με παραβολικά κβαντικά πηγάδια.