Kurzfassung
In dieser Arbeit werden Magneto-Photolumineszenz und Ultrakurzzeit Spektroskopie-Experimente an hochbeweglichen zweidimensionalen GaAs Einzel-Quantentopfstrukturen vorgestellt. Mit einem Milli-Kelvin Aufbau können Photolumineszenzexperimente bei Temperaturen bis hinab zu 80mK durch-
geführt werden.
Bei dem Ultrakurzzeit-Aufbau liegt das Hauptaugenmerk auf den Vier-Wellen-Misch Experimenten, die die Untersuchung der Kohärenzzeiten der photoangeregten Ladungsträger ermöglichen. Es lassen sich daraus Rückschlüsse über die Korrelationen zwischen den Ladungsträger im System ziehen. In den Experimenten kann die Elektronen Ladungsträgerdichte mit einem metallischen Gate durchgestimmt werden, so dass das zweidimensionale Elektronengas bei kleinen Füllfaktoren sowie der Bereich der geladenen und neutralen Exzitonen untersucht werden kann. Die hohe Qualität der Proben lässt erwarten, dass es nur wenige Fehlstellen gibt, so dass die Korrelationen zwischen den Elektronen und Löchern hervorragend untersucht werden können.
Bei den Experimenten bei Milli-Kelvin Temperaturen kann mit einer Rückkontakt-Elektrode ein elektrisches Feld entlang der Wachstumsrichtung angelegt werden. Dieses erlaubt die Untersuchung von Vielteilcheneffekten in Abhängigkeit vom Abstand der Elektronen und Löcher. Im hohen Ladungsträgerdichtebereich werden insbesondere die Fermikanten-Singularität und niederenergetische Verbreiterungen der Photolumineszenzlinien bei ungeraden Füllfaktoren ν = 3 und ν = 1 untersucht. Desweiteren wird bei Messungen im Magnetfeld ein zusätzlicher Übergang bis hinab zu Füllfaktor ν = 1 beobachtet, der einem Leichtloch-ähnlichen Übergang zugeordnet wird. Für große Elektronen-Loch Abstände werden die im niedrigen Ladungsträgerdichtebereich beobachteten Übergänge neutralen Exzitionen zugeordnet, die starke Anteile von Einteilchen-Übergängen haben.
Die zeitaufgelösten Messungen in dieser Arbeit behandeln for allem die Messungen an modulationsdotierten Einzel-Topf-Strukturen. Diese sind von hoher Qualität, haben jedoch den Nachteil, dass sie nur schwache Vier-Wellen-Misch Signale aufweisen. Bis heute gibt es nur Ergebnisse von dotierten Mehrfach-Töpfen. Ein großer Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Vier-Wellen-Misch Experimente am zweidimensionalen Elektronengas bei Füllfaktor ν = 1. Mit zunehmenden Magnetfeld wird für den Leichtlochartigen Übergang ein stufenartiger Anstieg der Dephasierungszeit bei ν = 1 beobachtet. Weiterhin konnte abgeleitet werden, dass die Dephasingszeit nicht nur von den Elektronenzuständen, sondern auch von der Kopplung zwischen den Lochzuständen abhängt. Es wird eine Probenstruktur vorgestellt, speziell entworfen für die zeitaufgelösten Messungen, die die Vorjustage des Aufbaus auch für schwache Signale erlaubt. So konnten an diesen Proben auch zirkular polarisationsaufgelöste Messungen durchgeführt werden. In diesen Experimenten werden aber keine Anzeichen vom Füllfaktor ν = 1 in der Dephasingszeit aufgelöst.
Aus den Dephasierungszeiten der Exzitonen wird gefolgert, dass die geladenen Exzitonen in diesen Proben wahrscheinlich nicht lokalisiert sind. Desweiteren wird ein vertauschtes 'Beating'-Verhalten der neutralen Exzitonen mit dem Triplet Zustand beobachtet.
This thesis presents magneto photoluminescence and ultrafast spectroscopy experiments on high-mobility two-dimensional GaAs single quantum-well structures. Using a milli-Kelvin setup, we are able to perform photoluminescence measurements at temperatures of down to 80 mK. For the ultrafast setup, the focus lies on the spectrally-resolved Four Wave mixing experiments. With this technique, the coherence of the photo-excited carriers is investigated time-resolved. From it, conclusions can be drawn on the correlations between the carriers in the system.
In the experiments the electron density of the high-mobility samples is
tunable with a metallic gate, so the 2DEG at small filling factors as well as
the regime of the charged and neutral excitons can be investigated. For these
high-mobility samples, it can be expected that only few imperfections exist, so that the correlations between electrons and holes can excellently be studied. For the experiments at milli-Kelvin temperatures, along the growth direction an electric field can be applied with a back-gate electrode. This allows us to study many-particle effects dependent on the distances between electrons and holes. Especially the Fermi-edge singularity and the low energy broadenings of the photoluminescence lineshapes at odd filling factors ν = 3 and ν = 1 are investigated in the high electron density regime. Moreover, in magnetic fields an additional transition is observed down to ν = 1 that is attributed to a light-hole like state. For large electron-hole distances, the observed transitions in the low carrier-density regime are assigned to neutral exciton states that have strong contributions of single-particle like transitions.
In this work, the focus of the time-resolved experiments is on the modulation-
doped single-well structures. These are of high-quality but have the disadvantage that they only exhibit weak Four Wave Mixing signals. Up to now, only results on the doped multiple well structures exist. A main part of the Four Wave Mixing experiments focuses on the two-dimensional electron gas at filling factor ν = 1. With increasing magnetic field a step-like increase of the dephasing time at ν = 1 is found for the light-hole like transition. Moreover, it is deduced that the dephasing time not only depends on the electron states but also on the coupling between the hole states. A sample structure is introduced, specially designed for our time-resolved experiments, that provides for weak signals the necessary prealignment of the setup. On these samples, also circular polarization resolved measurements could be performed. In these experiments, no signature of filling factor ν = 1 is resolved in the dephasing time. From the dephasing times of the excitons, it is concluded that the charged exciton is probably not localized in our sample. Moreover, an interchanged beating pattern of the neutral excitons with the triplet state is observed.