Kaiserslautern - Fachbereich Physik
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Faculty / Organisational entity
Elektronen in einem kristallinen Festkörper oder, allgemeiner formuliert, Teilchen in einem räumlich periodischen Potential bilden ein System, das schon seit den Anfängen der Quantenmechanik von fundamentalem Interesse ist. Ein wichtiges physikalisches Problem ist dabei die Berechnung der quantenmechanischen Zustände solcher Teilchen, die zusätzlich einem homogenen elektrischen Feld ausgesetzt sind. Die exakte Lösung dieses Problems ist jedoch selbst für eindimensionale Systeme nicht möglich, da der Versuch einer analytischen Berechnung auf unüberwindliche mathematische Probleme stößt. Diese versuchte Wannier 1960 zu umgehen, indem er die nach ihm benannten Wannierzustände einführte. Mit seiner Veröffentlichung stieß er eine jahrzehntelange Diskussion an. Vor allem die Begriffe Blochoszillationen, Zener-Tunneln und Wannier-Stark-Quantisierung standen im Mittelpunkt einiger Kontroversen. Ein physikalisch wichtiges Ergebnis der Diskussion ist die Erkenntnis, daß es sich bei den Eigenzuständen des betrachteten Systems um Resonanzen, d.h. metastabile Zustände, handelt, die sich auf eine ganz bestimmte Art und Weise anordnen lassen. Jede Resonanzenergie ist nämlich Teil einer Folge von äquidistanten Energieeigenwerten, den sogenannten Wannier-Stark-Leitern. Die Wannier-Stark-Quantisierung wurde zuvor lange Zeit in Frage gestellt, denn Zak zeigte, daß der Hamiltonoperator des Systems ein kontinuierliches Spektrum besitzt und widersprach damit der Aussage, das Systeme habe diskrete Energieeigenwerte. Tatsächlich ist das Spektrum, wenn man nur die reelle Achse betrachtet, kontinuierlich. Die Diskretisierung ergibt sich erst, wenn man zur Betrachtung der komplexen Ebene übergeht. Den ersten experimentellen Hinweis auf die Existenz von Wannier-Stark-Leitern fand man in Versuchen zur optischen Absorption in einem Festkörperkristall. In jüngster Zeit wurde das Interesse an diesem Gebiet der Physik durch Experimente mit Halbleiter-Übergittern und optischen Gittern erneut geweckt, denn man findet hier weitere Realisierungen des untersuchten Hamiltonoperators. Insbesondere erweisen sich neutrale Atome in stehenden Laserwellen als geeignete Studienobjekte. Die Untersuchungen mit Hilfe dieser Experimente haben den Vorteil, daß sie nicht wie Versuche mit Elektronen in Festkörpern durch spezifische Probleme wie Gitterfehler, Verunreinigungen, Phonon-Elektron-Wechselwirkung, Elektron-Elektron-Wechselwirkung, etc. gestört werden. Genauer gesagt, viele theoretische Aussagen über das System lassen sich erst durch das Fehlen der festkörpereigenen Störeinflüsse experimentell überprüfen. Andererseits lösen die neuen Ergebnisse der Experimentalphysik eine Weiterentwicklung der zugehörigen Theorie aus. Den Ausgangspunkt der Untersuchungen zu dieser Thematik in unserer Arbeitsgruppe bildete die Entwicklung einer effizienten Methode zur Berechnung von Wannierzuständen. Anschließend wurden verschiedene Aspekte des Wannier-Stark-Systems betrachtet, u.a. die Auswirkungen eines zusätzlichen zeitperiodischen äußeren Feldes, wie es beispielsweise im Experiment auftaucht. Die vorliegende Arbeit soll in diesem Zusammenhang klären, wie die Lebensdauer der Wannier-Stark-Resonanzen durch den periodischen Antrieb beeinflußt wird.
Die Untersuchung von semiklassischen Näherungen des Zeitentwicklungsoperators in der Quantenmechanik ist sowohl von fundamentalem als auch von didaktischem Interesse. Das fundamentale Interesse ist in der Beschreibung des Zusammenhangs zwischen klassischer Mechanik und Quantenmechanik begründet, das didaktische erklärt sich aus dem anschaulichen Zugang, den die Beschreibung von quantenmechanischen Prozessen durch klassische Größen liefert. Besonders klar wird dieser Zusammenhang, wenn eine Phasenraumdarstellung der Quantenmechanik betrachtet wird. Eine erste semiklassische Näherung für den Propagator im Phasenraum, den sogenannten "coherent state"-Propagator, wurde von Klauder vorgestellt. Weissman motivierte diese Näherung durch die Erweiterung der semiklassischen Korrespondenzrelationen auf den Begriff der kohärenten Variablen. In späteren Veröffentlichungen wird auf eine rigorose Herleitung mittels Pfadintegralmethoden verwiesen, die aber bis zum heutigen Tage nicht verwirklicht wurde. Ein zentraler Punkt dieser Arbeit wird es sein, zum ersten Mal diese alternative Herleitung vollständig zu präsentieren. Die Eigenschaften der semiklassischen Näherung des Phasenraumpropagators wurden für eine Reihe fundamentaler Quantenprozesse untersucht. Ausgehend von der semiklassischen Näherung des Phasenraumpropagators ergibt sich durch eine Ortsraumdarstellung desselben der Herman-Kluk-Propagator. Dieser gehört zur Klasse der Anfangswertdarstellungen ("initial value representations", IVRs), die die sonst bei semiklassischen Näherungen auftretenden Schwierigkeiten wie Kaustiken, Singularitäten und beidseitige Randbedingungen für die zugrundeliegenden klassischen Bahnen umgehen. Dies erlaubt ihre Anwendung auch auf Quantensysteme, deren klassisches Äquivalent chaotische Phasenraumbereiche enthält. Erste Untersuchungen hierzu wurden in unserer Arbeitsgruppe Ende 1997 durchgeführt. Die Frage nach der Klärung grundsätzlicher Eigenschaften des verwendeten Propagators und der verwendeten Methode sowie die Beleuchtung des theoretischen Hintegrunds lieferten die Anregung für diese Arbeit. Zu dieser Arbeit: In dieser Arbeit wird die semiklassische Näherung für den Phasenraumpropagator und hierauf aufbauend der Herman-Kluk-Propagator hergeleitet und ihre Eigenschaften untersucht. Im einzelnen gliedert sich die Arbeit folgendermaßen: In einem ersten, einführenden Kapitel werden kurz die grundlegenden Begriffe aus den drei Gebieten der klassischen Mechanik, der Quantenmechanik und der Semiklassik erläutert. Das zweite Kapitel gibt einen Überblick über die semiklassische Theorie nach Miller und Weissman. Der zentrale Begriff ist hierbei der der Korrespondenzrelation, der einen direkten Zusammenhang zwischen klassischen Größen (erzeugenden Funtionen) und unitären Transformationen in der Quantenmechanik liefert. Ein Spezialfall dieser Korrespondenz ist der Zusammenhang zwischen der Zeitentwicklung eines quantenmechanischen kohärenten Zustands und der Evolution klassischer Bahnen. Im zentralen dritten Abschnitt wird erstmalig eine vollständige Herleitung des Phasenraumpropagators mittels Pfadintegralmethoden gegeben. Aus dieser Herleitung wird klar, daß eines der Probleme der Semiklassik in der Frage liegt, welche Hamiltonfunktion einem gegebenen Hamiltonoperator zuzuordnen ist. Auch der durch die semiklassischen Näherung eingeführte Fehler wird diskutiert. Anschließend wird aus dem "coherent state"-Propagator der Herman-Kluk-Propagator hergeleitet und dessen Eigenschaften besprochen. Das vierte Kapitel beschreibt in Vorgriff auf den letzten Abschnitt die numerische Implementierung des Herman-Kluk-Propagators und verschiedene Methoden zur Gewinnung von Energieeigenwerten eines Quantensystems. Hierzu wird eine phasenraumsensitive Integrationsroutine vorgestellt. Abschließend werden die Ergebnisse der numerischen Anwendung des Propagators auf verschiedene, charakteristische Quantensysteme vorgestellt und sowohl mit der exakten Quantenmechanik, als auch mit anderen semiklassischen Methoden verglichen. Dabei werden sowohl die Stärken, als auch die Schwächen dieser Methode deutlich werden.
In der nichtrelativistischen Schrödinger-Theorie hat sich die nach, H. A. Kramers und L. Brillouin benannte WKB - Näherung eine weitreichende Akzeptanz verschafft. Obwohl diese Methode meist nur als WKB-Methode bezeichnet wird, war von H. Jeffreys zuerst eine solche Näherungsmethode vorgestellt worden. Es liegt nahe, in einer relativistischen Theorie eine entsprechende Näherungsmethode zu diskutieren. Ich habe verschiedene semiklassische Näherungen für die radiale Dirac-Gleichung untersucht. Analytische und numerische Diskussionen der verschiedenen Methoden haben gezeigt, daß die Güte der Näherung wesentlich von der Entkopplung der Radialgleichung abhängt. Speziell für das Coulomb-Potential habe ich eine näherungsfreie Entkopplung entwickelt, welche zu einer WKB-Quantenbedingung führt, die mit der Feinstrukturformel von Sommerfeld übereinstimmt. Für viele physikalisch relevante Potentiale, welche das Coulomb-Potential nur leicht abändern, wird somit eine weitaus größere Genauigkeit als bei herkömmlichen WKB-Näherungen erster Ordnung erreicht. Außerdem habe ich höhere Korrekturen zur WKB-Näherung untersucht.
In dieser Arbeit wurde die Streutheorie in Stark-Systemen auf das im Rahmen der Untersuchung von Halbleiter-Übergittern vorgeschlagene periodische Rechteck-Potential angewendet. Das Verhalten der Resonanzenergien als Funktion verschiedener Parameter wurde untersucht. Hierbei trat das Phänomen der Paarung von Linienbreiten auf, welches durch Betrachtung der Bandstruktur des korrespondierenden feldfreien Hamiltonoperators und durch Modellierung mittels eines Matrixmodells für Wannier-Stark-Leitern geklärt werden konnte. Im letzten Abschnitt wurden die Untersuchungen auf die Beschreibung von Absorptionsspektren von Halbeiter-Übergittern ausgedehnt. Es wurde mittels zeitabhängiger Störungsrechnung eine Formel zur Berechnung des Absorptionsspektrums hergeleitet. Wird das periodische Potential in Halbleiter-Übergittern durch ein geglättetes Rechteck-Potential beschrieben, so können die spektroskopisch bestimmten Linienbreiten durch unsere Theorie gut beschrieben werden. Dies führt zu dem Schluss, dass das periodische Potential der Realität nicht wie anfänglich vermutet durch ein Rechteck-Potential beschrieben werden sollte sondern durch eine geglättete Version desselben. Trotz dieser interessanten Ergebnisse bleiben noch einige Fragen ungeklärt. So ist z.B. ungeklärt, ob es möglich ist die Parameter des Matrixmodells aus semiklassischen oder quantenmechanischen Berechnungen zu bestimmen, so dass das Modell es erlaubt die Resonanzenergien ab initio zu berechnen Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Phänomen der Paarung der Lebensdauern untersucht. Hier wäre es interessant nach den Symmetrien der dazugehörigen Wellenfunktionen zu fragen. Es ist zu hoffen, dass dies Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein wird.
Diese Arbeit widmete sich der Aufgabe, quantitative Abschätzungen für Emissionsspektren eines geladenen Teilchens in starken äußeren Feldern zu liefern. Es wurde hierzu in Kapitel 2 der Weg beschritten, zuerst das System mit klassischer Dynamik zu beschreiben, wobei man unter Umständen aus den klassischen Hamilton'schen Bewegungsgleichungen analytische Ausdrücke ableiten kann, und mit diesen Ergebnissen die Grenzen abzustecken, innerhalb derer sich das Quantensystem entwickeln kann. Ähnlich wie bei dem in der Einleitung erwähnten Modell, das die Cutoff-Frequenz für ein Atomelektron aus semiklassischen Überlegungen ableitet, konnten hier für ein Bloch-Teilchen zwei Cutoff-Gesetze abgeleitet werden. Sie gingen aus Näherungen der Hamilton'schen Bewegungsgleichungen hervor, wenn die Bewegung entweder durch das Stark-Feld oder das zeitliche Wechselfeld beherrscht wird, und stimmten mit den numerischen Ergebnissen der klassischen Dynamik gut überein. Darüber hinaus konnten sie sogar die quantenmechanischen Resultate bestätigen, was von Bedeutung ist, da die Ableitung quantitativer Ausdrücke bei der Quantendynamik solcher zeitabhängiger Systeme sehr große Schwierigkeiten bereitet und meist nur numerisch - nicht analytisch - möglich ist. Im zweiten Teil der Arbeit (Kapitel 3) wurde mit dem Zwei-Niveau-System ein quantenmechanisches System behandelt, das aufgrund seiner einfacheren Stuktur analytische Ausdrücke zulässt. Hier wurde aus der Formel für den Erwartungwert des Dipolmoments ein Ausdruck abgeleitet, der die Größe des Plateaus im HHG-Spektrum bestimmt. Außerdem konnte man bei der näherungsweisen Berechnung des Spektrums mittels stationärer Phase zeigen, dass die Fluktuationen im Bereich des Plateaus durch die Überlagerung der Beiträge der beiden stationären Punkte verursacht wird.
Diese Arbeit befasst sich mit der Quantendynamik in gekippten periodischen Strukturen, den so genannten Wannier-Stark-Systemen. Eine wichtige experimentelle Realisierung eines solchen Systems ist die Dynamik ultrakalter Atome in optischen Gittern unter dem Einfluß einer externen Kraft, z.B. der Gravitation. Zunächst wird die Dynamik eines einzelnen quantenmechanischen Teilchens in zweidimensionalen Wannier-Stark-Systemen analysiert. Dieses Teilchen zeigt Lissajous-artige Oszillationen, deren Dynamik sehr sensitiv von der Richtung der externen Kraft abhängt. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Dynamik eines Bose-Einstein-Kondensats im Rahmen eine mean-field-Näherung (Gross-Pitaevskii-Gleichung) untersucht. Neue Phänomene wie eine Zusammenbruch und Wiederaufleben der Oszillationen können mittels einer Entwicklung nach Wannier-Stark-Funktionen in einem einfachen Modell erklärt werden. Schließlich werden die Eigenschaften von gebundenen und Resonanz-zuständen der Gross-Pitaevskii-Gleichung für zwei einfache Modellsysteme (delta-Potential und delta-shell-Potential) untersucht.
Aufbau eines Diodenlasers mit externem Resonator zur Amplituden-/Phasen-modulations-Spektroskopie
(1994)
In dieser Diplomarbeit wird die Konstruktion und der Aufbau eines externen Resonators für einen Diodenlaser beschrieben. Es wurde sowohl ein Littrow als auch ein Littman-Resonator aufgebaut. Der Littrow-Resonator besitzt eine justierbare mechanische Synchronisation zwischen Wellenlängenselektion und Resonatorlänge. Damit konnte ein kontinuierlicher Durchstimmbereich ohne Modensprünge über einen Spektralbereich bis 240GHz im nahen Infrarot bei einer Wellenlänge von 780 bis 850nm erreicht werden. Die Eigenschaften dieses Littman-Laser-Systems wurden untersucht und unter anderem mehrere überraschende Strahlverläufe im Resonator durch Mehrfachreflexionen am Endspiegel und Gitter des Resonators gefunden. Die Restreflexion der verwendeten entspiegelten Laserdiode konnte experimentell abgeschätzt werden. Weiterhin wurde eine ausführliche Modellrechnung über die Eigenschaften eines Lasers mit externem Resonator durchgeführt und eine theoretische Erklärung für das beobachtete, asymmetrische Modensprungverhalten des Diodenlasers mit externem Resonator gefunden. Mit diesem Lasersystem wurde das Absorptionsspektrum von deuteriertem Azetylen (C2D2) um 12000 Wellenzahlen aufgenommen.