論文の概要: Microscopic approach to the quantized light-matter interaction in semiconductor nanostructures: Complex coupled dynamics of excitons, biexcitons, and photons
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.22220v1
- Date: Fri, 27 Jun 2025 13:37:15 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-06-30 21:12:23.215094
- Title: Microscopic approach to the quantized light-matter interaction in semiconductor nanostructures: Complex coupled dynamics of excitons, biexcitons, and photons
- Title(参考訳): 半導体ナノ構造における量子化光-物質相互作用への微視的アプローチ:励起子、ビエクシトン、光子の複雑な結合ダイナミクス
- Authors: Hendrik Rose, Stefan Schumacher, Torsten Meier,
- Abstract要約: 半導体と量子光の相互作用を研究するための完全量子化モデルを提案する。
量子光場と1対と2対の電子-ホール対の結合力学について述べる。
- 参考スコア(独自算出の注目度): 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: We present a microscopic and fully quantized model to investigate the interaction between semiconductor nanostructures and quantum light fields including the many-body Coloumb interaction between photoexcited electrons and holes. Our approach describes the coupled dynamics of the quantum light field and single and double electron-hole pairs, i.e., excitons and biexcitons, and exactly accounts for Coulomb many-body correlations and carrier band dispersions. Using a simplified yet exact approach, we study a one-dimensional two-band system interacting with a single-mode, two-photon quantum state within a Tavis$\unicode{x2013}$Cummings framework. By employing an exact coherent factorization scheme, the computational complexity is reduced significantly enabling numerical simulations. We also derive a simplified model which includes only the bound $1s$-exciton and biexciton states for comparison. Our simulations reveal distinct single- and two-photon Rabi oscillations, corresponding to photon-exciton and exciton-biexciton transitions. We demonstrate, in particular, that biexciton continuum states significantly modify the dynamics in a way that cannot be captured by simplified models which consider only bound states. Our findings emphasize the importance of a comprehensive microscopic modeling in order to accurately describe quantum optical phenomena of interacting electronic many-body systems.
- Abstract(参考訳): 光励起電子とホールの多体コロンブ相互作用を含む半導体ナノ構造と量子光場の相互作用を研究するための、顕微鏡的で完全に量子化されたモデルを提案する。
量子光場と単一電子と二重電子の対、すなわち励起子と双励起子の結合力学を記述し、クーロン多体相関とキャリアバンド分散を正確に説明する。
単純化された正確なアプローチを用いて、Tavis$\unicode{x2013}$Cummingsフレームワーク内の単一モードの2光子量子状態と相互作用する1次元2バンドシステムを研究する。
正確なコヒーレント因子化スキームを用いることで、計算複雑性を著しく低減し、数値シミュレーションを可能にする。
また、比較のために1s$-exciton状態とbiexciton状態のみを含む単純化されたモデルも導出する。
シミュレーションにより,光子・励起子・励起子・励起子遷移に対応する1光子・2光子ラビ振動が明らかとなった。
特に、双エクシトン連続状態は、境界状態のみを考慮した単純化されたモデルでは捉えられない方法で、力学を著しく変化させることを実証する。
本研究は,電子多体系の量子光学現象を正確に記述するために,包括的微視的モデリングの重要性を強調した。
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