Superfluidity and Correlations in Systems of Indirect Excitons

Böning, Jens

Semiconductors feature two types of charge carriers, electrons and holes. These may bind in a meta-stable, hydrogen-like boson called exciton. A large number of excitons may populate the same state below a critical temperature (Bose-Einstein condensate). This work studies indirect excitons created from spatially separated electrons and holes. The model uses an effective interaction which incorporates effects encountered in realistic experimental setups. Predictions for the many-body system are based on first principle Path Integral Monte-Carlo simulations. The phase diagram exhibits two quantum phase transitions from solid to superfluid confining the solid phase to a finite density interval. The low-density boundary agrees to the behavior of polarized dipoles while the other is usually encountered in Coulomb systems. The transitions coincide at a critical dipole moment below which the solid cannot exist. Both superfluid and solid exist only at low temperatures.

In Halbleitern existieren zwei Ladungsträgerarten, Elektronen und Löcher. Diese können einen metastabilen, Wasserstoff-ähnlichen, bosonischen Zustand bilden, ein Exziton. Eine große Anzahl Exzitonen kann unterhalb einer kritischen Temperatur das gleiche Energieniveau bevölkern (Bose-Einstein-Kondensat). Diese Arbeit beschäftigt sich mit indirekten Exzitonen, gebildet aus räumlich getrennten Elektronen und Löchern. Das Modell nutzt dazu eine effektive Wechselwirkung, das auch Effekte berücksichtigt wie sie in tatsächlichen Experimenten auftreten. Vorhersagen für das Viel-Teilchen System stützen sich auf „first principle“ Pfadintegral Monte-Carlo Simulationen. Das Phasendiagram zeigt zwei isothermale fest-suprafluid Übergänge, die die feste Phase auf ein endliches Dichteintervall einschliessen. Die Grenze bei niedriger Dichte lässt sich aus dem Verhalten von polarisierten Dipolen ableiten, während die andere typischerweise in Coulombsystemen auftritt. Die Übergänge fallen bei einem kritischen Dipolmoment zusammen unterhalb dessen die feste Phase nicht existiert. Suprafluide und feste Phase existieren nur bei tiefen Temperaturen.

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Böning, Jens: Superfluidity and Correlations in Systems of Indirect Excitons.

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