Masterarbeit "ZnO nanowire lasers"

Zinkoxid (ZnO)-Nanodrähte bieten alle Voraussetzungen für die Realisierung eines Nanolasers: ZnO ist ein gut untersuchtes Verstärkungsmedium, und die zylindrische Geometrie bildet zusammen mit den Endfacetten einen Wellenleiterhohlraum [1]. Im Experiment wird die Besetzungsinversion in ZnO durch Multiphotonenabsorption erzeugt, die durch Laserpulse unter 100 fs induziert wird. Das Lasern setzt ein, wenn die Verstärkung im ZnO-Material die Verluste im Hohlraum übersteigt. Während die Hohlraumverluste durch die Beschaffenheit der Nanodrähte gegeben sind, ist die Verstärkung eine Funktion der angeregten Elektronendichte und hängt somit von der Erzeugungsrate der Elektronen während des Laserpulses ab.

Die Experimente zeigen eine nicht-triviale Abhängigkeit der Elektronengenerationsrate von der Pumpwellenlänge. Wenn man die Pumpwellenlänge von 0,8 µm bis 3,9 µm einstellt, was einer Absorption von 3 bis 12 Photonen entspricht, und das Anregungsregime von Mehrphotonenabsorption auf Tunnelung umstellt [2], wird die hystereseartige Abhängigkeit der Laserschwelle von der Pumpintensität beobachtet. Mit zunehmender Menge an absorbierten Photonen steigt die Laserschwelle bei einer Pumpwellenlänge von 1,4 µm (5-Photonen-Absorption) schnell um eine Größenordnung an, sinkt jedoch auf einen Wert nahe der 3-Photonen-Absorptionsschwelle, wenn eine 3,9-µm-Pumpe im mittleren IR-Bereich verwendet wird. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Erzeugungsrate bei der Tunnelionisation höher ist als bei der Mehrphotonenabsorption. Der Masterstudent wird am theoretischen Verständnis des Ursprungs dieses unerwarteten und wichtigen Phänomens arbeiten.

Simulationen können bereits erfolgreich die Dynamik der geführten Moden des elektromagnetischen Feldes in optisch gepumpten halbleitenden Nanodrähten beschreiben [3][4]. Wir wollen uns nun auf Erste-Prinzipien-Rechnungen angeregter Elektronen im gleichen System konzentrieren, einschließlich der Vielteilcheneffekte auf die Ladungsträger. Zu diesem Zweck werden die Studierenden die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie [5] erlernen und ab initio Berechnungen von elektronischen Anregungen und Elektronendynamik in ZnO-Nanodrähten durchführen.

Weiterführende Literatur

[1] M. A. Zimmler, F. Capasso, S. Müller and C. Ronning, "Optically pumped nanowire lasers: invited review", Semiconductor Science and Technology, 25(2):024001 (2010)
[2] L. V. Keldysh, "Ionization in the field of a strong electromagnetic wave", Soviet Physics JETP, 20:1307-1314 (1965)
[3] R. Buschlinger, M. Lorke, and U. Peschel, "Light-matter interaction and lasing in semiconductor nanowires: A combined finite-difference time-domain and semiconductor Bloch equation approach", Phys. Rev. B 91: 045203 (2015)
[4] R. Buschlinger, M. Lorke, and U. Peschel, "Coupled-Mode Theory for Semiconductor Nanowires", Phys. Rev. Applied, 7:034028 (2017)
[5] "Fundamentals of Time-Dependent Functional Theory", edited by M.A.L. Marques, N. Maitra, F.M.S. Nogueira, E.K.U. Gross, and A. Rubio, (Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2012)

Anforderungen

Fundierte Kenntnisse in Quantenmechanik und Festkörperphysik werden vorausgesetzt. Programmierkenntnisse sind ein Plus.