Riassunto analitico
Studiamo la dinamica quantistica coerente di particelle composite diffuse da un potenziale di scattering. In particolare, consideriamo gli effetti dei processi di correlazione indotti durante lo scattering dal trasferimento di energia tra potenziale esterno, gradi di libertà interni e quelli del centro di massa, come pure il loro effetti asintotici sulle probabilità di trasmissione in fenomeni di tunnelling e di diffusione. Lo sviluppo di un modello teorico e di metodi numerici efficienti che tengano in considerazione la complessa dinamica interna è fondamentale in differenti rami della Fisica (nucleare, dei semiconduttori, molecolare, etc.). In questa tesi ci concentriamo sul caso paradigmatico di eccitoni di Wannier-Mott spazialmente indiretti, stati legati di elettrone-lacuna, ove le due cariche fotogenerate sono mantenute spazialmente separate in differenti regioni di un'eterostruttura a semiconduttore opportunamente ingegnerizzata. In virtù dell’accoppiamento alla radiazione elettromagnetica, della lunga vita media, e della presenza di un momento di dipolo elettrico non nullo, gli eccitoni indiretti sono validi candidati per lo sviluppo di dispositivi opto-elettronici, ove l'informazione è trasportata dai fotoni, mentre l'elaborazione è affidata all'elettronica. Negli stessi dispositivi, la natura bosonica di queste eccitazioni ottiche porta alla formazione di un condensato quantistico. Al fine della corretta descrizione del moto degli eccitoni in tali dispositivi è necessaria una specifica analisi della dinamica quantistica in potenziali esterni generati da difetti, impurezze, disordine, o gate esterni, la quale tuttavia risulta essere scarsamente analizzata nella Letteratura scientifica. Mostriamo, in particolare, l’insufficienza di una descrizione di campo medio, lo sviluppo di metodi numerici efficienti per l’evoluzione coerente, nonché la definizione di un metodo basato su un potenziale addizionale dipendente dall’energia e dalla conoscenza di autostati ed autoenergie del moto relativo, in grado di descrivere accuratamente gli effetti dinamici trascurati dalle comuni teorie di campo medio. Con questi metodi sono stati analizzati sia i meccanismi fondamentali dello scattering di particelle composite, sia la diffusione in situazioni rilevanti dal punto di vista sperimentale.
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Abstract
We study the coherent quantum dynamics of composite particles, scattered by an external potential. Specifically, we consider the correlation effects of processes induced during the scattering by the energy transfer between external potentials, internal and centre-of-mass degrees of freedom, as well as their asymptotic effects on the transmission probability in tunnelling and scattering phenomena. The development of a theoretical model and efficient numerical methods taking into account the complex internal dynamics is fundamental in many fields, ranging from nuclear to semiconductor and molecular physics. In this Thesis we focus on the paradigmatic case of spatially indirect Wannier-Mott excitons (IXs), i.e., photogenerated electron-hole bound states, where the two charges occupy different regions of a properly engineered semiconductor heterostructure. Indeed, due to their intrinsic coupling to photons, their long recombination lifetime, and the permanent electric dipole, IXs have proved to be good candidates for the development of opto-electronic devices, where the information is transported by photons and elaborated by electronics. In these devices, the bosonic nature of these optical excitations leads to the formation of quantum condesates. For a proper description of IX motion in such devices, a specific analysis of the quantum dynamics in external potential landscapes –such as those generated by defects, disorder, or proper gates – is crucial, even if poorly analysed in the Literature. In particular, we expose the failure of mean-field descriptions, as well as the development of efficient numerical methods for the coherent propagation. Furthermore, we set up a method, based on an additional energy-dependent potential, able to accurately describe the centre-of-mass and relative motion dynamical correlations, neglected in mean-field methods by construction. Within these methods, we analyse both fundamental scattering mechanisms of composite particles, and the quantum collision process in experimentally relevant conditions.
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