Non-linear quantum interference in nanocrystals

• Název práce v češtině: Nelineární kvantová interference v nanokrystalech
• Název v anglickém jazyce: Non-linear quantum interference in nanocrystals
• Klíčová slova: kvantová interference|nanokrystal|optická nelinearita|terahertzové záření
• Klíčová slova anglicky: quantum interference|nanocrystal|optical nonlinearity|terahertz radiation
• Akademický rok vypsání: 2022/2023
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Tomáš Ostatnický, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 24.04.2023
• Datum zadání: 24.04.2023
• Datum potvrzení stud. oddělením: 04.09.2023

Zásady pro vypracování

Kvantová interference [3-4] je jev, kdy nelineární interakce nosné a druhé harmonické optické vlny vede ke vzniku stejnosměrného proudu v pevné látce. Aplikace ultrakrátkého optického pulsu má za následek vznik přechodného proudu, který vygeneruje v nanokrystalu elektrický dipól a ten následně může vyzářit terahertzový foton. Podmínkou pro vznik tohoto jevu je ale narušení symetrie systému, např. symetrií krystalu nebo vnějším polem. Cílem práce bude výpočet předpokládané THz odezvy konkrétního materiálu a optimalizace parametrů pro co nejvyšší účinnost procesu. Řešení bude rozděleno do jednotlivých částí:

1. Rešerše časopisecké literatury se zaměřením na metody teoretického modelování kvantové interference a jejich aplikace na konkrétní pozorované jevy v polovodičových materiálech.
2. Sestavení teoretického osmipásového modelu pro objemový GaAs se zahrnutím plné spinové struktury nositelů náboje.
3. Ověření funkčnosti modelu, namodelování rozložení hustoty proudu, ev. spinových proudů pro různé nastavení vnějších podmínek, odhad spektra sekundární emise v THz oblasti.
4. Rozšíření modelu o kvantově-rozměrový jev (nanokrystaly), výpočet dynamiky nositelů náboje a odhad spektra sekundární emise; porovnání s objemových materiálem, příp. optimalizace vzhledem ke spektru a amplitudě sekundární emise.

Seznam odborné literatury

[1] J.-C. Diels, W. Rudolph: Ultrashort laser pulse phenomena, Academic Press, San Diego, 2006.
[2] H. Haug, S. W. Koch: Quantum theory of the optical and electronic properties of semiconductors, World Scientific, Singapore, 2004.
[3] M. Sheik-Bahae, Phys. Rev. B 60, R11257 (1999).
[4] R. Atanosov et al., Phys. Rev. Lett. 76, 1703 (1996).

další časopisecká literatura

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

QUantum interference [3-4] is a phenomenon of a nonlinear interaction of the fundamental and second harmonic optical wave while a dc current is generated in a solid material. Application of an ultrashort optical pulse leads to a creation of a transient current which induces an electric dipole in a nanocrystal and in result to radiation of a THz photon. The symmetry of the system must be broken, however, to observe such effect and the symmetry breaking may be caused e.g. by the crystal symmetry or by external field. The aim of the thesis is the calculation of a prediction of THz response of a selected material and optimization of the parameters in order to gain the highest efficiency possible. The thesis will be divided into distinct parts:

1. Research of the scientific literature with a special focus on theoretical modelling of quantum interference and application of the methods on particular observations in semiconductor materials.
2. Formulation of an eight-band model relevant for bulk GaAs, including the spin structure of charge carriers.
3. Check of the reliability of the model, simulation of the electric current density, spin current density and charge density for different ambient conditions and estimate of the THz spectrum of the response.
4. Extension of the model by quantum confinement of electrons (nanocrystals), calculation of the electron dynamics and estimate of the secondary emission THz spectrum. Comparison with bulk materials, optimization of the emission spectrum and its amplitude.