Forschungsschwerpunkte - Prof. Dr. Tilmann Kuhn

Der Schwerpunkt der in der Arbeitsgruppe bearbeiteten Forschungsthemen liegt im Bereich der theoretischen Beschreibung und der Simulation der Nichtgleichgewichtsdynamik wechselwirkender Vielteilchensysteme, wie sie in verschiedenen Festkörpermaterialien und Nanostrukturen auftreten. Aktuelle Forschungsprojekte laufen auf folgenden Gebieten:

  • Ladungsträgerdynamik in lokalisierten Halbleiter Strukturen

    Quantenpunkte (engl. quantum dots, QDs) sind Halbleiter-Nanostrukturen, in denen die Bewegungsfreiheit von Elektronen auf einer Nanometerskala so weit eingeschränkt ist, dass sich ähnlich wie in einem Atom ein diskretes Energiespektrum ausbildet. Im Gegensatz zu Atomen ist dieses Spektrum aber in weiten Bereichen kontrollierbar, z.B. durch die Wahl von Materialzusammensetzung, Größe und Geometrie. Diese Eigenschaft macht Quantenpunkte zu attraktiven Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich von Optoelektronik, Photonik bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung. Durch kontrollierte Laseranregung lässt sich der Zustand der Ladungsträger, die sich in einer Halbleiterstruktur wie z.B. einem Quantenpunkt befinden, gezielt beeinflussen. Da ein realer Quantenpunkt kein isoliertes System darstellt, sondern in der Regel in einen Festkörper eingebettet ist, beeinflusst die Umgebung den Zustand der Ladungsträger recht stark. Die deutlichsten Auswirkungen haben dabei die Wechselwirkungen mit Gitterschwingungen, die in ihrer quantisierten Beschreibung als Phononen bezeichnet werden.

     

    Schematische Darstellungen der Exziton-Anregung mit einem frequenzmodulierten Laserpuls

    Wir untersuchen, wie sich die Störung des Quantenpunktes durch die Phononen minimieren lässt, um die optisch induzierte Dynamik der Ladungsträger in gewünschter Weise zu optimieren. Dazu lassen sich beispielsweise Laserpulse mit speziellen Eigenschaften, wie z.B. ultrakurze oder frequenzmodulierte Pulse, nutzen.

     

    Eine genaue Kenntnis über die quantenpunktinterne Ladungsträgerdynamik spielt bei der gezielten Kontrolle der Zustände eine entscheidende Rolle. Zur Untersuchung der Dynamik bieten sich nichtlineare Techniken, wie Pump-Probe- oder Vier-Wellen-Misch-Spektroskopie an. Wir beschäftigen uns dabei mit dem Einfluss verschiedener Wechselwirkungen, wie z.B. der Coulomb- und Austausch-Wechselwirkung und der Wechselwirkung mit Gitterschwingungen, auf die Dynamik der nichtlinearen Spektren.

     

    Schematischer Aufbau von Pump-Probe- und Vier-Wellen-Misch-Spektroskopie

     

    Ein weiterer zentraler Aspekt ist der Einfang von Ladungsträgern in einen Quantenpunkt. Ladungsträger können sehr leicht optisch oder elektrisch in der Umgebung eines Quantenpunkts erzeugt werden. Dieser wirkt dann als Potentialmulde und dient als Falle für die Ladungsträger. Bei der theoretischen Beschreibung dieses Vorgangs spielt wiederum die Streuung an Phononen eine wichtige Rolle, da diese die beim Einfangprozess frei werdende Energie aufnehmen können.

     

    Einfangprozess eines Elektron-Wellenpakets in einem Quantenpunkt

     

     

    abgeschlossene Arbeiten

    Dissertationen

    • D. Groll (2023)
      Theory of solid state single photon emitters: From incoherent to coherent spectroscopy
    • M. Holtkemper (2020)
      Excited excitonic complexes in quantum dots: Optical properties and light-induced dynamics

    Masterarbeiten

    • T. Hahn (2019)
      Simulation von Vier-Wellen-Misch-Spektroskopie an einem Quantenpunkt im optomechanischen Resonator und an einem zweidimensionalen Halbleiter

    Bachelorarbeiten

    • Gregor Beyer (2023)
      Optische Eigenschaften und Zustandspräparation eines optisch getriebenen Drei-Niveau-Systems mit phonondinduzierten Übergängen

    • J. Jasper (2020)
      Dynamik der Rabioszillationen eines optisch getriebenen Zwei-Niveau-Systems mit Lokaler-Feld-Wechselwirkung
    • F. Stüber (2019)
      Untersuchung der Erzeugung höherer Harmonischer in optisch getriebenen Zweiniveau-Systemen

    ausgewählte Veröffentlichungen

    • Resonant and phonon-assisted ultrafast coherent control of a single hBN color center
      J.A. Preuss, D. Groll, R. Schmidt, T. Hahn, P. Machnikowski, R. Bratschitsch, T. Kuhn, S. Michaelis de Vasconcellos, and D. Wigger
      Optica 9 (5), 522-531 (2022)
    • Single-Photon Emitters in Layered Van der Waals Materials
      S. Michaelis de Vasconcellos, D. Wigger, U. Wurstbauer, A.W. Holleitner, R. Bratschitsch, T. Kuhn
      Phys. Status Solidi B 259, 2100566 (2022)
    • Destructive Photon Echo Formation in Six-Wave Mixing Signals of MoSe2 Monolayer
      T. Hahn, D. Vaclavkova, M. Bartos, K. Nogajewski, M. Potemski, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Machnikowski, T. Kuhn, J. Kasprzak, and D. Wigger
      Adv. Sci. 9, 2103813, 2022
    • Comparison of the semiclassical and quantum optical field dynamics in a pulse-excited optical cavity with a finite number of quantum emitters
      K. Jürgens, F. Lengers, D. Groll, D.E. Reiter, D. Wigger, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 104, 205308 (2021)
    • Local field effects in ultrafast light-matter interaction measured by pump-probe spectroscopy of monolayer MoSe2
      A. Rodek, T. Hahn, J. Kasprzak, T. Kasimierczuk, K. Nogajewski, K.E. Połczyńska, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Kuhn, P. Machnikowski, M. Potemski, D. Wigger, and P. Kossacki
      Nanophotonics 10, 2717-2728 (2021)
    • Influence of local fields on the dynamics of four-wave mixing signals from 2D semiconductor systems
      T. Hahn, J. Kasprzak, P. Machnikowski, T. Kuhn, and D. Wigger
      New J. Phys. 23 (2021) 023036
    • Femtosecond Transfer and Manipulation of Persistent Hot-Trion Coherence in a Single CdSe/ZnSe Quantum Dot
      P. Henzler, C. Traum, M. Holtkemper, D. Nabben, M. Erbe, D.E. Reiter, T. Kuhn, S. Mahapatra, K. Brunner, D. V. Seletskiy, and A. Leitenstorfer
      Phys. Rev. Lett. 126, 067402 (2021)
    • Dark exciton preparation in a quantum dot by a longitudinal light field tuned to higher exciton states
      M. Holtkemper, G.F. Quinteiro, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      Phys. Rev. Research 3, 013024 (2021)
    • Selection rules for the excitation of quantum dots by spatially structured light beams: Application to the reconstruction of higher excited exciton wave functions
      M. Holtkemper, G.F. Quinteiro, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 102, 165315 (2020)
    • Semiclassical modeling of coupled quantum-dot-cavity systems: From polaritonlike dynamics to Rabi oscillations
      K. Jürgens, F. Lengers, T. Kuhn, and D.E. Reiter
      Phys. Rev. B 101, 235311 (2020)
    • Four-wave mixing dynamics of a strongly coupled quantum-dot-microcavity system driven by up to 20 photons
      D. Groll, D. Wigger, K. Jürgens, T. Hahn, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, J. Kasprzak, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 101, 245301 (2020)
    • Theory of the absorption line shape in monolayers of transition metal dichalcogenides
      F. Lengers, T. Kuhn, D.E. Reiter
      Phys. Rev. B 101, 155304 (2020)
    • Effective detection of spatio-temporal carrier dynamics by carrier capture
      R. Rosati, F. Lengers, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      J. Phys.: Condens. Matter 31 (2019) 28LT01
    • Spatiotemporal dynamics of Coulomb-correlated carriers in semiconductors
      F. Lengers, R. Rosati, T. Kuhn, and D.E. Reiter
      Phys. Rev. B 99, 155306 (2019)
    • Spatial control of carrier capture in two-dimensional materials: Beyond energy selection rules
      R. Rosati, F. Lengers, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 98, 195411 (2018)
    • Rabi oscillations of a quantum dot exciton coupled to acoustic phonons: coherence and population readout
      D. Wigger, C. Schneider, S. Gerhardt, M. Kamp, S. Höfling, T. Kuhn, and J. Kasprzak
      Optica 5 (11), 1442-1450 (2018)
    • Coulomb effects on the photoexcited quantum dynamics of electrons in a plasmonic nanosphere
      A. Crai, A. Pusch, D.E. Reiter, L. Román Castellanos, T. Kuhn, and O. Hess
      Phys. Rev. B 98, 165411 (2018)
    • Comparison of different concurrences characterizing phonon pairs generated in the biexciton cascade in quantum dots coupled to microcavities
      M. Cygorek, F. Ungar, T. Seidelmann, A.M. Barth, A. Vagov, V.M. Axt, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 98, 045303 (2018)
    • Influence of the quantum dot geometry on p-shell transitions in differently charged quantum dots
      M. Holtkemper, D.E. Reiter, and T. Kuhn
      Phys. Rev. B 97, 075308 (2018)
    • Charge and spin control of ultrafast electron and hole dynamics in single CdSe/ZnSe quantum dots
      C. Hinz, P. Gumbsheimer, C. Traum, M. Holtkemper, B. Bauer, J. Haase, S. Mahapatra, A. Frey, K. Brunner, D.E. Reiter, T. Kuhn, D.V. Seletskij, and A. Leitenstorfer
      Phys. Rev. B 97, 045302 (2018)
    • Exploring coherence of individual excitons in InAs quantum dots embedded in natural photonic defects: Influence of the excitation intensity
      D. Wigger, Q. Mermillod, T. Jakubczyk, F. Fras, S. Le-Denmat, D.E. Reiter. S. Höfling, M. Kamp. G. Nogues, C. Schneider, T. Kuhn, and J. Kasprzak
      Phys. Rev. B 96, 165311 (2017)

     

  • Phonondynamik und Exziton-Phonon-Wechselwirkung in Nanostrukturen

    Wenn sich in einem Kristall die Ladungsträgerverteilung ändert, hat dies einen Einfluss auf die Bewegung der Gitteratome des Kristalls. So können zum Beispiel durch optische Anregung der Elektronen in einem Halbleiter Phononen (quantisierte Schwingungen der Gitteratome) erzeugt oder vernichtet werden. Regt man einen Quantenpunkt mit ultrakurzen Laserpulsen an, so kann die ultraschnelle Änderung der Ladungsverteilung zur Erzeugung von Wellenpaketen führen, die sich vom Quantenpunkt wie eine Schockwelle in die Umgebung ausbreiten. Solche Wellenpakete könnten beispielsweise zur Kommunikation zwischen verschiedenen Quantenpunkten genutzt werden. Zusätzlich wird durch die Änderung der Ladungsverteilung im Quantenpunkt das Gitter in diesem Bereich leicht verzerrt; diese mit einer Anregung verbundene lokale Gitterverzerrung wird auch als Polaron bezeichnet. Durch gezielte Manipulation der Anregung kann man die Erzeugung und Vernichtung  der Phononen kontrollieren.

    Phonon Wellenpaket nach ultraschneller Anregung im Quantenpunkt (QD)

     

    Die Kopplung der Ladungsträgerdynamik an die Dynamik der Phononen bietet darüber hinaus die Möglichkeit, durch optische Manipulation des elektronischen Systems gezielt Phononzustände mit interessanten quantenmechanischen Eigenschaften zu erzeugen. So lassen sich durch geschickte Anregungsmechanismen sogenannte Schrödinger-Katzen-Zustände herstellen, d.h. Zustände, die aus einer Überlagerung von quasiklassischen kohärenten Zuständen bestehen. In solchen Zuständen kann unter geeigneten Bedingungen die quantenmechanische Unschärfe einer Variable stark reduziert werden kann; man spricht hier auch von gequetschten Zuständen, wie sie aus dem Gebiet der Quantenoptik bekannt sind.

     

    Wigner-Funktion von zwei Schrödinger-Katzen-Zuständen

     

    Schallpulse lassen sich bereits nutzen um die Intensität von Quantenpunkt-Lasern innerhalb von wenigen Pikosekunden zu steuern. Die Wellenpakete werden im Experiment durch kurze Laserpulse hervorgerufen, die eine dünne Aluminiumschicht aufheizen. Die damit einhergehende thermische Ausdehnung der Schicht erzeugt den Schallpuls. Wenn die Phononen dann auf die Quantenschicht treffen bewirken sie eine Änderung der Übergangsenergien Quantenpunkte. Da die Effizienz des Lasers entscheidend von der Verstimmung zwischen den Übergängen der Quantenpunkte und der Resonatormode abhängt, beeinflussen die Schallpulse indirekt die Stärke des Laserlichts.

     

    Schematische Darstellung des Phonon-gesteuerten Quantenpunktlasers

     

     

     

     

     

    abgeschlossene Arbeiten

    Dissertationen

    • T. Hahn (2023)
      heory of optically induced dynamics and nonlinear spectroscopy of a quantum dot in an optomechanical resonator and of an atomically thin semiconductor
    • S. Lüker (2018)
      Optical Preparation of Excitonic and Phononic Quantum States in Semiconductor Quantum Dots

    Masterarbeiten

    • D. Groll (2018)
      Investigation of the dissipative Jaynes-Cummings model coupled to phonons

    Bachelorarbeiten

    • Anton Plonka (2023)
      Optische Antwort und Phononzustandsdynamik von optomechanischen Systemen nach ultrakurzer optischer Anregung

    • R. Kapust (2021)
      Simulation der Phonondynamik in ein- und zweidimensionalen Heterostrukturen mit dem Masse-Feder-Modell
    • J.A. Ballmeier (2020)
      Akustische Wellen in Kristallstrukturen
    • M. Kampshoff (2020)
      Simulation der Phononpropagation in eindimensionalen Gittern (2020)

    ausgewählte Veröffentlichungen

    • How to Read Out the Phonon Number Statistics via Resonance Fluorescence Spectroscopy of a Single-Photon Emitter
      D. Groll, F. Paschen, P. Machnikowski, O. Hess, D. Wigger, and T. Kuhn
      Adv. Quantum Technol. 2300153 (2023)
    • Photon scattering from a quantum acoustically modulated two-level system
      T. Hahn, D. Groll, H.J. Krenner, T. Kuhn, P. Machnikowski, and D. Wigger
      AVS Quantum Sci. 4, 011403 (2022)
    • Resonance-fluorescence spectral dynamics of an acoustically modulated quantum dot
      D. Wigger, M. Weiß, M. Lienhart, K. Müller, J.J. Finley, T. Kuhn, H.J. Krenner, and P. Machnikowski
      Phys. Rev. Research 3, 033197 (2021)
    • Optomechanical wave mixing by a single quantum dot
      M. Weiß, D. Wigger, M. Nägele, K. Müller, J.J. Finley, T. Kuhn, P. Machnikowski, and H.J. Krenner
      Optica 8, pp. 291-300 (2021)
    • Controlling Photoluminescence Spectra of hBN Color Centers by Selective Phonon-Assisted Excitation: A Theoretical Proposal
      D. Groll, T. Hahn, P. Machnikowski, D. Wigger, and T. Kuhn
      Mater. Quantum. Technol. 1 (2021) 015004
    • Entropy Dynamics of Phonon Quantum States Generated by Optical Excitation of a Two-Level System
      T. Hahn, D. Wigger and T. Kuhn
      Entropy 2020, 22 (3), 286
    • Acoustic phonon sideband dynamics during polaron formation in a single quantum dot
      D. Wigger, V. Karakhanyan, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, P. Machnikowski, T. Kuhn, and J. Kasprzak
      Optics Letters 45, 919-922 (2020)
    • Phonon-Induced Enhancement of Photon Entanglement in Quantum Dot-Cavity Systems
      T. Seidelmann, F. Ungar, A.M. Barth, A. Vagov, V.M. Axt, M. Cygorek, and T. Kuhn
      Phys. Rev. Lett. 123, 137401 (2019)
    • Distinctive characteristics of carrier-phonon interactions in optically driven semiconductor quantum dots
      D.E. Reiter, T. Kuhn and V.M. Axt
      Adv. Phys-X 4, 1655478 (2019)
    • Influence of excited state decay and dephasing on phonon quantum state preparation
      T. Hahn, D. Groll, T. Kuhn, and D. Wigger
      Phys. Rev. B 100, 024306 (2019)
    • From strong to weak temperature dependence of the two-phonon entanglement resulting from the biexciton cascade inside a cavity
      T. Seidelmann, F. Ungar, M. Cygorek, A. Vagov, A.M. Barth, T. Kuhn, and V.M. Axt
      Phys. Rev. B 99, 245301 (2019)
    • Phonon-assisted emission and absorption of individual color centers in hexagonal boron nitride
      D. Wigger, R. Schmidt, O. Del Pozo-Zamudio, J.A. Preuß, P. Tonndorf, R. Schneider, P. Steeger, J. Kern, Y. Khodaei, J. Sperling, S. Michaelis de Vasconcellos, R. Bratschitsch, and T. Kuhn
      2D Mater. 6, 035006 (2019)
    • Coherent phonon lasing in a thermal quantum nanomachine
      P. Karwat, D.E. Reiter, T. Kuhn, and O. Hess
      Phys. Rev. A 98, 053855 (2018)
    • Strain Control of Exciton-Phonon Coupling in Atomically Thin Semiconductors
      I. Niehues, R. Schmidt, M. Drüppel, P. Marauhn, D. Christiansen, M. Selig, G. Berghäuser, D. Wigger, R. Schneider, L. Braasch, R. Koch, A. Castellanos-Gomez, T. Kuhn, A. Knorr, E. Malic, M. Rohlfing, S. Michaelis de Vasconcellos, and R. Bratschitsch
      Nano Lett., 2018, 18 (3), pp. 1751-1757
    • Phonon impact on optical control schemes of quantum dots: Role of quantum dot geometry and symmetry
      S. Lüker, T. Kuhn, and D.E. Reiter
      Phys. Rev. B 96, 245306 (2017)
    • Systematic study of the influence of coherent phonon wave packets on the lasing properties of a quantum dot ensemble
      D. Wigger, T. Czerniuk, D.E. Reiter, M. Bayer, and T. Kuhn
      New J. Phys. 19 (2017) 073001
    • Phonon-assisted dark exciton preparation in a quantum dot
      S. Lüker, T. Kuhn, and D.E. Reiter
      Phys. Rev. B 95, 195305 (2017)