Efectos del bombeo incoherente de excitones en la susceptibilidad óptica lineal de una nanoestructura esférica

Effects of incoherent exciton pumping on the linear optical susceptibility of a spherical nanostructure

Se estudian los efectos del bombeo incoherente de excitones sobre una nanoestructura semicondutora con geometría esférica que interactua con luz monocromática. Se consideraron los procesos disipativos pérdida por emisión espontánea y pérdida de fase coherente mediante el formalismo de sistemas cuánticos abiertos, usando una ecuación maestra con términos de Lindblad, donde también se incluye el bombeo incoherente. Se usó la técnica de la expansión perturbativa sobre el operador densidad aplicado sobre el operador de polarización. Se obtuvo una expresión de la susceptibilidad óptica lineal en una nanoestruc- tura que incluye el bombeo incoherente. Además se encontró que el bombeo incoherente de excitones no afecta la separación energética de los niveles del sistema cuántico.

1. INTRODUCCIÓN

Las física de las heteroestructuras semiconductoras ha sido enriquecida debido a los desarrollos en las técnicas de crecimiento epitaxial y de nanolitografía [1]. Estas técnicas permitieron el desarrollo de materiales donde es posible el control del confinamiento de los portadores de carga en una, dos o tres dimensiones [2]. Este avance ha permitido el uso de esta tecnología en áreas como la óptica cuántica [3], la optoelectrónica [4] y la computación cuántica [5]. A nivel teórico las investigaciones se han centrado en diseñar, entender y controlar propiedades estructurales, ópticas y electrónicas en los diferentes tipos de sistemas nanoestructurados. Por ejemplo, en sistemas que incluyen puntos cuánticos en presencia de agentes externos tales como campos eléctricos [6] o magnéticos [7] han sido estudiados por sus diversas aplicaciones.

Simulaciones más realistas de los procesos físicos involucrados consisten en utilizar la teoría de los sistemas cuánticos abiertos para analizar procesos de emisión espontánea, procesos de pérdida de la fase coherente, procesos de pérdida de fotones a través de cavidades, entre otros mecanismos usualmente se describe en la ecuación maestra con términos de Lindblad [8, 9].

En este documento, se propone incluir en la ecuación maestra un término de Lindblad que modela el bombeo incoherente de excitaciones de la materia enfatizando el efecto de este término en la susceptibilidad óptica de puntos cuánticos. En la sección II, se describe el modelo físico del sistema. En la sección III, se identifica el procedimiento para encontrar una expresión de susceptibilidad óptica. En la sección IV, se presentan los resultados y en la sección V se muestran las conclusiones de este trabajo.

2 Modelo Físico

Se considera el sistema cuántico nanoestructurado como un punto cuántico de simetría esférica de radio R compuesto de GaAs/GaAsAl, en la aproximación de masa efectiva y en presencia de luz monocromática. El punto cuántico se modela como un sistema de dos niveles los cuales son representados por los vectores de estado base |g⟩ y excitado |e⟩, respectivamente.