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Atomically thin layered van der Waals heterostructures feature exotic and emergent optoelectronic properties. With growing interest in these novel quantum materials, the microscopic understanding of fundamental interfacial coupling mechanisms is of capital importance. Here, using multidimensional photoemission spectroscopy, we provide a layer- and momentum-resolved view on ultrafast interlayer electron and energy transfer in a monolayer-WSe2/graphene heterostructure. Depending on the nature of the optically prepared state, we find the different dominating transfer mechanisms: while electron injection from graphene to WSe2 is observed after photoexcitation of quasi-free hot carriers in the graphene layer, we establish an interfacial Meitner-Auger energy transfer process following the excitation of excitons in WSe2. By analysing the time-energy-momentum distributions of excited-state carriers with a rate-equation model, we distinguish these two types of interfacial dynamics and identify the ultrafast conversion of excitons in WSe2 to valence band transitions in graphene. Microscopic calculations find interfacial dipole-monopole coupling underlying the Meitner-Auger energy transfer to dominate over conventional Förster- and Dexter-type interactions, in agreement with the experimental observations. The energy transfer mechanism revealed here might enable new hot-carrier-based device concepts with van der Waals heterostructures., QC 20230830

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Contains fulltext : 247537.pdf (Publisher’s version ) (Open Access)

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Spin systems in solid state materials are promising qubit candidates for quantum information in particular as quantum memories or for quantum sensing. A major prerequisite here is the coherence of spin phase oscillations. In this work, we show a control sequence which, by applying RF pulses of variable detuning, allows to increase the visibility of spin phase oscillations. We experimentally demonstrate the scheme on single NV centers in diamond and analytically describe how the NV electron spin phase oscillations behave in the presence of classical noise models. We hereby introduce detuning as the enabling factor that modulates the filter function of the sequence, in order to achieve a visibility of the Ramsey fringes comparable to or longer than the Hahn-echo T 2 time and an improved sensitivity to DC magnetic fields in various experimental settings., Peer Reviewed

Dienstleistungen im Luftverkehr werden entlang einer vertikal disaggregierten Wertschöpfungskette von spezialisierten Anbietern erbracht. Vom Luftverkehr gehen regional- und gesamtwirtschaftliche Impulse aus. Ihre Erfassung erweist sich allerdings als schwierig. Gleiches gilt für die negativen Externalitäten des Luftverkehrs. Neben seinem Beitrag zum Treibhauseffekt steht hierbei die Lärmbelastung im Vordergrund.

We predict a mechanism for achieving complete population inversion in a continuously driven InAs/GaAs semiconductor quantum dot featuring V-type transitions. This highly nonequilibrium steady state is enabled by the interplay between V-type interband transitions and a non-Markovian decoherence mechanism, introduced by acoustic phonons. The population trapping mechanism is generalized to a chain of coupled emitters. Exploiting the population inversion, we predict unidirectional excitation transport from one end of the chain to the other without external bias, independent of the unitary interdot coupling mechanism.

The equilibrium and non-equilibrium optical properties of single-layer transition metal dichalcogenides (TMDs) are determined by strongly bound excitons. Exciton relaxation dynamics in TMDs have been extensively studied by time-domain optical spectroscopies. However, the formation dynamics of excitons following non-resonant photoexcitation of free electron-hole pairs have been challenging to directly probe because of their inherently fast timescales. Here, we use extremely short optical pulses to non-resonantly excite an electron-hole plasma and show the formation of two-dimensional excitons in single-layer MoS2 on the timescale of 30 fs via the induced changes to photo-absorption. These formation dynamics are significantly faster than in conventional 2D quantum wells and are attributed to the intense Coulombic interactions present in 2D TMDs. A theoretical model of a coherent polarization that dephases and relaxes to an incoherent exciton population reproduces the experimental dynamics on the sub-100-fs timescale and sheds light into the underlying mechanism of how the lowest-energy excitons, which are the most important for optoelectronic applications, form from higher-energy excitations. Importantly, a phonon-mediated exciton cascade from higher energy states to the ground excitonic state is found to be the rate-limiting process. These results set an ultimate timescale of the exciton formation in TMDs and elucidate the exceptionally fast physical mechanism behind this process.

Das Verstehen der elektronischen Prozesse in Nano-Hybridsystemen, bestehend aus Molekülen und Halbleiterstrukturen, eröffnet neue Möglichkeiten für optoelektronische Bauteile. Dafür benötigt es nanoskopische und gleichzeitig atomare Modelle und somit angepasste Rechenmethoden. Insbesondere "Standard"-Ansätze für die Dynamik offener Quantensysteme werden mit zunehmender Systemgröße jedoch sehr ineffizient. In dieser Arbeit wird eine neue Methode basierend auf einer stochastischen Schrödinger-Gleichung etablieren. Diese umgeht die numerischen Limits der Quanten-Mastergleichung und ermöglicht Simulationen von imposanter Größe. Ihr enormes Potenzial wird hier in Studien zu Anregungsenergietransfer und Ladungsseparation an zwei realistischen Nano-Hybridsystemen demonstriert: para-sexiphenyl Moleküle auf einer flachen ZnO Oberfläche (6P/ZnO), und ein tubuläres C8S3 Farbstoffaggregat gekoppelt an einen CdSe Nanokristall (TFA/NK). Im 6P/ZnO System findet nach optischer Anregung Energietransfer vom 6P Anteil zum ZnO statt. Direkt an der Grenzfläche können Frenkel-Exzitonen zusätzlich Ladungsseparation initiieren, wobei Elektronen ins ZnO transferiert werden und Löcher im 6P Anteil verbleiben. Beide Mechanismen werden mittels laserpulsinduzierter ultraschneller Wellenfunktionsdynamik simuliert. Danach wird die langsamere dissipative Lochkinetik im 6P Anteil studiert. Hierfür wird die eigene Simulationstechnik der stochastischen Schrödinger-Gleichung verwendet. Die Studie an der TFA/NK Grenzfläche basiert auf einer gigantischen equilibrierten Aggregatstruktur aus 4140 Molekülen. Ein generalisiertes Frenkel-Exzitonenmodell wird benutzt. Der Ansatz der stochastischen Schrödinger-Gleichung ermöglicht bemerkenswerte Einblicke in die Aggregat-interne Exzitonenrelaxation. Danach werden inkohärente Raten des Exzitonentransfers zum NK berechnet. Unterschiedliche räumliche Konfigurationen werden untersucht und es wird diskutiert, warum das Förster-Modell hier keine Gültigkeit besitzt., Understanding the electronic processes in hybrid nano-systems based on molecular and semiconductor elements opens new possibilities for optoelectronic devices. Therefore, it requires for models which are both nanoscopic and atomistic, and so for adapted computational methods. In particular, "standard" methods for open quantum system dynamics however become very inefficient with increasing system size. In this regard, it is a key challenge of this thesis, to establish a new stochastic Schrödinger equation technique. It bypasses the computational limits of the quantum master equation and enables dissipative simulations of imposing dimensionality. Its enormous potential is demonstrated in studies on excitation energy transfer and charge separation processes in two realistic nanoscale hybrid systems: para-sexiphenyl molecules deposited on a flat ZnO surface (6P/ZnO), and a tubular dye aggregate of C8S3 cyanines coupled to a CdSe nanocrystal (TDA/NC). After optical excitation, the 6P/ZnO system exhibits exciton transfer from the 6P part to the ZnO. Close to the interface, Frenkel excitons may further initiate charge separation where electrons enter the ZnO and holes remain in the 6P part. Both mechanisms are simulated in terms of laser-pulse induced ultrafast wave packet dynamics. Afterwards, slower dissipative hole motion in the 6P part is studied. For this purpose, the own stochastic Schrödinger equation simulation technique is applied. The study on the TDA/NC interface is based on a gigantic equilibrated nuclear structure of the aggregate including 4140 dyes. A generalized Frenkel exciton model is employed. Thanks to the stochastic Schrödinger equation approach, energy relaxation in the exciton band of the TDA is simulated in outstanding quality and extend. Then, incoherent rates for exciton transfer to the NC are computed. Different spatial configurations are studied and it is discussed why the Förster model possesses no validity here.

The equilibrium and non-equilibrium optical properties of single-layer transition metal dichalcogenides (TMDs) are determined by strongly bound excitons. Exciton relaxation dynamics in TMDs have been extensively studied by time-domain optical spectroscopies. However, the formation dynamics of excitons following non-resonant photoexcitation of free electron-hole pairs have been challenging to directly probe because of their inherently fast timescales. Here, we use extremely short optical pulses to non-resonantly excite an electron-hole plasma and show the formation of two-dimensional excitons in single-layer MoS2 on the timescale of 30 fs via the induced changes to photo-absorption. These formation dynamics are significantly faster than in conventional 2D quantum wells and are attributed to the intense Coulombic interactions present in 2D TMDs. A theoretical model of a coherent polarization that dephases and relaxes to an incoherent exciton population reproduces the experimental dynamics on the sub-100-fs timescale and sheds light into the underlying mechanism of how the lowest-energy excitons, which are the most important for optoelectronic applications, form from higher-energy excitations. Importantly, a phonon-mediated exciton cascade from higher energy states to the ground excitonic state is found to be the rate-limiting process. These results set an ultimate timescale of the exciton formation in TMDs and elucidate the exceptionally fast physical mechanism behind this process.

Das Verstehen der elektronischen Prozesse in Nano-Hybridsystemen, bestehend aus Molekülen und Halbleiterstrukturen, eröffnet neue Möglichkeiten für optoelektronische Bauteile. Dafür benötigt es nanoskopische und gleichzeitig atomare Modelle und somit angepasste Rechenmethoden. Insbesondere "Standard"-Ansätze für die Dynamik offener Quantensysteme werden mit zunehmender Systemgröße jedoch sehr ineffizient. In dieser Arbeit wird eine neue Methode basierend auf einer stochastischen Schrödinger-Gleichung etablieren. Diese umgeht die numerischen Limits der Quanten-Mastergleichung und ermöglicht Simulationen von imposanter Größe. Ihr enormes Potenzial wird hier in Studien zu Anregungsenergietransfer und Ladungsseparation an zwei realistischen Nano-Hybridsystemen demonstriert: para-sexiphenyl Moleküle auf einer flachen ZnO Oberfläche (6P/ZnO), und ein tubuläres C8S3 Farbstoffaggregat gekoppelt an einen CdSe Nanokristall (TFA/NK). Im 6P/ZnO System findet nach optischer Anregung Energietransfer vom 6P Anteil zum ZnO statt. Direkt an der Grenzfläche können Frenkel-Exzitonen zusätzlich Ladungsseparation initiieren, wobei Elektronen ins ZnO transferiert werden und Löcher im 6P Anteil verbleiben. Beide Mechanismen werden mittels laserpulsinduzierter ultraschneller Wellenfunktionsdynamik simuliert. Danach wird die langsamere dissipative Lochkinetik im 6P Anteil studiert. Hierfür wird die eigene Simulationstechnik der stochastischen Schrödinger-Gleichung verwendet. Die Studie an der TFA/NK Grenzfläche basiert auf einer gigantischen equilibrierten Aggregatstruktur aus 4140 Molekülen. Ein generalisiertes Frenkel-Exzitonenmodell wird benutzt. Der Ansatz der stochastischen Schrödinger-Gleichung ermöglicht bemerkenswerte Einblicke in die Aggregat-interne Exzitonenrelaxation. Danach werden inkohärente Raten des Exzitonentransfers zum NK berechnet. Unterschiedliche räumliche Konfigurationen werden untersucht und es wird diskutiert, warum das Förster-Modell hier keine Gültigkeit besitzt., Understanding the electronic processes in hybrid nano-systems based on molecular and semiconductor elements opens new possibilities for optoelectronic devices. Therefore, it requires for models which are both nanoscopic and atomistic, and so for adapted computational methods. In particular, "standard" methods for open quantum system dynamics however become very inefficient with increasing system size. In this regard, it is a key challenge of this thesis, to establish a new stochastic Schrödinger equation technique. It bypasses the computational limits of the quantum master equation and enables dissipative simulations of imposing dimensionality. Its enormous potential is demonstrated in studies on excitation energy transfer and charge separation processes in two realistic nanoscale hybrid systems: para-sexiphenyl molecules deposited on a flat ZnO surface (6P/ZnO), and a tubular dye aggregate of C8S3 cyanines coupled to a CdSe nanocrystal (TDA/NC). After optical excitation, the 6P/ZnO system exhibits exciton transfer from the 6P part to the ZnO. Close to the interface, Frenkel excitons may further initiate charge separation where electrons enter the ZnO and holes remain in the 6P part. Both mechanisms are simulated in terms of laser-pulse induced ultrafast wave packet dynamics. Afterwards, slower dissipative hole motion in the 6P part is studied. For this purpose, the own stochastic Schrödinger equation simulation technique is applied. The study on the TDA/NC interface is based on a gigantic equilibrated nuclear structure of the aggregate including 4140 dyes. A generalized Frenkel exciton model is employed. Thanks to the stochastic Schrödinger equation approach, energy relaxation in the exciton band of the TDA is simulated in outstanding quality and extend. Then, incoherent rates for exciton transfer to the NC are computed. Different spatial configurations are studied and it is discussed why the Förster model possesses no validity here.

[EN]: Recent experimental progress in the field of cavity quantum electrodynamics allows to study the regime of strong interaction between quantized light and complex matter systems. Due to the coherent coupling between photons and matter-degrees of freedom, polaritons - hybrid light-matter quasiparticles - emerge, which can significantly influence matter properties and complex process such as chemical reactions. This strong-coupling regime opens up possibilities to control materials and chemistry in an unprecedented way. However, the precise mechanisms behind many of these phenomena are not yet entirely understood. One important reason is that often the physical problem is described with highly simplified models, where the matter system is reduced to a few effective levels. More accurate first-principles approaches that consider photons on the same footing as electrons only slowly emerge. Their development is hampered by the increase of complexity of the combined electron-photon wave functions and the fact that we have to deal with two different species of particles. In this thesis we propose a way to overcome these problems by reformulating the coupled electron-photon problem in an exact way in a different, purpose-build Hilbert space, where no longer electrons and photons are the basic physical entities but the polaritons. Representing an N-electron-M-mode system by an N-polariton wave function with hybrid Fermi-Bose statistics, we show explicitly how to turn electronic-structure methods into polaritonic-structure methods that are accurate from the weak to the strong-coupling regime. We elucidate this paradigmatic shift by a comprehensive review of light-matter coupling, as well as by highlighting the connection between different electronic-structure methods and quantum-optical models. This extensive discussion accentuates that the polariton description is not only a mathematical trick, but it is grounded in a simple and intuitive physical argument: when the exci, [DE]: Neueste experimentelle Fortschritte im Bereich von ``Cavity''-Quantenelektrodynamik ermöglichen die Erforschung der starken Wechselwirkung zwischen quantisiertem Licht und komplexen Materiesystemen. Aufgrund der kohärenten Kopplung zwischen Photonen und Materiefreiheitsgraden, entstehen Polaritonen, hybride Licht-Materie Quasiteilchen, die dazu beitragen können, Materieeigenschaften und komplexe Prozesse wie chemische Reaktionen entscheidend zu beeinflussen. Dieses Regime der starken Kopplung eröffnet Möglichkeiten zur Kontrolle von Materialien und Chemie in einer beispiellosen weise. Allerdings sind die genauen Mechanismen hinter vielen solcher Phänomene nicht vollständig verstanden. Ein wichtiger Grund dafür ist, dass das physikalische Problem oft mit äußerst vereinfachten Methoden beschrieben wird, wobei die Materie zu wenigen effektiven "Levels" reduziert wird. Akkuratere first-principles Methoden, die Photonen gleichwertig zu Elektronen behandeln entstehen nur langsam, da die Erforschung solcher Methoden sowohl durch die erhöhte Komplexität der kombinierten Elektron-Photon Wellenfunktionen, als auch dem Fakt, dass zwei verschiedene Teilchenspezies miteinbezogen werden müssen, aufgehalten wird. In dieser Doktorarbeit schlagen wir vor diese Problem zu umgehen, indem das gekoppelte Elektron-Photon Problem exakt in einem anderen zweckgebauten Hilbertraum neuformuliert wird. Dadurch, dass wir ein System, bestehend aus N Elektronen und M Moden, mit einer N-Polaritonen Wellenfunktion repräsentieren, können wir explizit zeigen wie ein electronic-structure in eine polaritonic-structure Methode umgewandelt werden kann, die für schwache bis hin zu starken Kopplungstärken akkurat ist. Wir rationalisieren diesen Paradigmenwechsel innerhalb einer umfassenden Revision der Licht-Materie Wechselwirkung und indem wir die Verbindung zwischen verschiedenen electronic-structure Methoden und quantenoptischen Modellen hervorheben. Diese ausführliche Diskussion hebt hervor, dass

In our work we combined experimental and theoretical investigations of the relaxation dynamics of the single wall carbon nanotubes (SW-CNTs) in solution samples with enriched chiralities of (7,5) and (7,6) species. In two-color pump-probe studies we observe three-exponential decay in the differential transmission spectra in the range of few picoseconds, tens of picoseconds, and hundreds of picoseconds. Decay curves are very similar for both SW-CNT chiralities under resonant excitation and probing of excited and ground state transition energies, respectively. Both types of tubes exhibit no changes in decay for the different excitation energies in the range ±50meV around the excited state. By tuning the probe pulse towards energies higher then ground state (up to +350meV) we observe acceleration of the first decay component from 5.8ps down to 1.6ps. Our experimental results are supported by time resolved microscopic calculations based on carbon nanotube Bloch equations proving the fast decay component behavior being dominated through scattering with acoustic phonons.

Diese Arbeit präsentiert eine vollständige quantenmechanische Beschreibung eines Systems bestehend aus einem Molekül und einem metallischem Nanopartikel (MNP) in der Gegenwart eines Strahlungsfeldes. Zuerst wird ein System aus einem Molekül und einem Gold-MNP betrachtet. Das Emissionsund Absorptionsspektrum zeigt viele scharfe molekulare Schwingungssatelliten auf einem breiten Plasmonmaximum. Eine Verstärkung der Schwingungssatelliten um drei Größenordnungen ist auf effiziente Absorption und Emission durch die MNP zurückzuführen. Dann wird ein System aus einer molekularen Kette mit einem Gold-MNP untersucht. Alle zuvor genannten Phänomene treten auch hier auf, jedoch werden die Schwingungssatelliten durch das Exzitonenband der molekularen Kette ersetzt. Anschließend wird ein Nano-Laser aus vielen Molekülen und einem Gold-MNP betrachtet. Die Moleküle werden durch inkohärentes optisches Pumpen angeregt. Dabei wird eine starke Plasmonanregung durch die gemeinsame Kopplung an die Moleküle erreicht. Die Photonenemission des Lasers zeigt, dass die Intensität ansteigt, während die Linienbreite schmaler wird. Die Korrelationsfunktion in zweiter Ordnung für die Photonen in Verbindung mit der schmaler Emission könnte dabei sogar einen Hinweis auf Lasing geben. Zuletzt wird eine Nanoverbindung aus einem Molekül und zwei sphärischen metallischen Elektroden betrachtet. Das Molekül wird durch den sequentiellen Ladungstransfer angeregt. Durch die Kopplung an die Moleküle werden die Elektrodenplasmonen angeregt. Die Photonenemission der Verbindung zeigt, dass die scharfen molekularen Schwingungssatelliten um das Tausendfache verstärkt werden. Anschließend ist ein System aus zwei pyramidalen Elektroden, die seitlich von zwei Gold-MNP eingeschlossen werden, untersucht. Hier können die Schwingungssatelliten einzeln verstärkt werden, indem der Abstand zwischen den MNP variiert wird. Wir zeigen auch, dass das Lasing in einer Verbindung aus vielen Molekülen theoretisch möglich ist., This thesis presents a unified quantum description of the combined molecule-metal nano-particle system in the presence of a radiation field. Firstly, a single molecule coupled to a gold nano-sphere is investigated. The emission and absorption spectrum show many sharp molecular vibrational satellites over one broad plasmon peak. The three orders of magnitude enhancement of the vibrational satellites is due to the great ability of the sphere to absorb and emit photons. Secondly, a molecular chain coupled to a gold nano-sphere is investigated. All the phenomena mentioned above appear also for such system, except that the vibrational satellites are replaced by the Frenkel exciton band of the molecular chain. Thirdly, a plasmonic nano-laser consisting of many dye molecules and a gold nano-sphere is considered. The molecules are initially excited by incoherent optical pump. The strong plasmon excitation of the sphere is achieved due to the concerted coupling with the molecules. The emission of the laser shows that the intensity is enlarged while the line-width is reduced. The second-order correlation function of photons together with the emission narrowing can be utilized to determine lasing operation. Finally, a nano-junction formed by a molecule and two spherical metallic leads is investigated. The molecule is excited through sequential electron transfer. The lead plasmons get excited due to the coupling with the excited molecule. The emission of the junction shows that the molecular vibrational satellites are about one thousand times enhanced by the lead plasmons. Then, a junction with two pyramidal metallic leads sandwiched by two gold nano-spheres is investigated. The simulations show that the molecular vibrational satellites can be selectively enhanced by varying the inter-sphere distance. It is also proved that the lasing can be realized by a junction with many molecules.

Die traditionelle Entwicklungspolitik und -finanzierung, beides Top-Down-Ansätze, die auf bilateraler oder multilateraler staatlicher Hilfe basieren, befinden sich in einer tiefen Krise. Aufgrund der Ineffektivität dieser Politik bei der Armutsbekämpfung haben die meisten Geberländer in den letzten zehn Jahren ihre Entwicklungshilfe erheblich reduziert. Die Globalisierung eröffnet jedoch viele vielversprechende private Alternativen zur staatlichen Entwicklungshilfe. (ICEÜbers), "Traditional development policy and development finance - both top-down approaches essentially based upon bilateral or multilateral official aid - are in deep crisis. Due to their ineffectiveness in poverty reduction, most donor countries have substantially reduced development aid over the past decade. Globalization, however, has opened up many promising private-sector alternatives to official development assistance." (author's abstract)

The optical properties of quantum dots embedded in a catalytically grown semiconductor nanowire are studied theoretically. In comparison to dots in a bulk environment, the excitonic absorption is strongly modified by the one-dimensional character of the nanowire phonon spectrum. In addition to pronounced satellite peaks due to phonon-assisted absorption, we find a finite width of the zero-phonon line already in the lowest-order calculation.

Quam ... Sub Praesidio ... Dn. Christiani Krembergk ... Liberalis exercitii gratia discutiendam proponit Andreas Knorr Halensis Saco. Ad diem 10. Iunii, Signaturformel: [1], Z4, [1]

Quam ... Sub Praesidio ... Dn. Christiani Krembergk ... Liberalis exercitii gratia discutiendam proponit Andreas Knorr Halensis Saco. Ad diem 10. Iunii, Signaturformel: [1], Z4, [1]