Dynamics of quantum systems driven by half-cycle electromagnetic pulses

Abstract

Diese theoretische Arbeit ist dem Studium der kohärenten Kotrolle der Quantendynamik durch Halb-Zyklus-Pulse (half cycle pulses, HCPs) sowie den Bedingungen, unter denen diese Kotrolle zeitlich aufrechterhalten wird, gewidmet. Zunächst betrachten wir ein polares Molekül unter dem Einfluss eines Zuges von HCPs. Ein einfaches analytisches Modell wird entwickelt, um die charakteristischen Parameter der HCPs zu ermitteln, mit denen sich eine starke und anhaltende Orientierung des Moleküls erreichen lässt. Anschließend wird der Prozess der kohärenten Kontrolle der Orientierung numerisch optimiert und an dem Beispiel des Moleküls NaI demonstriert. Mit unserem Schema erhalten wir eine bislang unerreicht starke Orientierung, die auch trotz einer thermischen Mittelung bis 10 K endlich bleibt. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wird die HCPs-induzierte Quantendynamik eines Elektrons in einem symmetrischen Doppeltrogpotential untersucht. Wir zeigen, dass geeignet präparierte HCPs in der Lage sind, das elektronische Wellenpaket sowie das Emissionsspektrum innerhalb von Pikosekunden zu kontrollieren. Einige wichtige Phänomene werden vorhergesagt, wie die Erzeugung von nieder-frequenten und halb-harmonischen Strahlungen sowie die kohärente Unterdrückung des Tunneleffekts in Abwesenheit von Quasi-Energie-Entartung. Wir studieren auch die HCPs-kontrollierte Elektronendynamik in einem mesoskopischen Ring (MR) und sagen voraus, dass der Ring ultraschnell polarisiert werden kann. Weiterhin zeigen wir, dass durch den Einsatz von zwei zueinander orthogonalen Pulsen Ungleich-gewichtsströme erzeugt werden, die eine Größenordnung größer sind, als die durch einen magnetischen Fluss erzeugten Dauerströme. Einige potentielle Anwendungen sowie die Möglichkeit einer experimentellen Realisierung werden dargelegt.

The possibility of controlling the dynamics of quantum systems driven by half-cycle pulses (HCPs) and the conditions under which the control process can be sustained in time are theoretically investigated. We first considered a polar molecule driven by a train of HCPs. Based on a simple analytical model we estimated the characteristics and parameters of the train of HCPs that is capable of inducing a strong and sustainable molecular orientation. In addition, the optimization of the control process was performed for the NaI molecule through full numerical calculations. Our results show that the molecular orientation obtained within our scheme is stronger than that obtained within previous methods and that it is robust to thermal average up to temperatures of about 10 K. An electron confined in a symmetric double quantum well driven by HCPs is the second system investigated in the present work. It is shown that when subjecting such a system to an appropriately designed train of HCPs both the motion and the emission spectrum of the electron can be engineered on a subpicosecond time scale. Phenomena such as low-frequency and half-harmonic generations as well as the coherent suppression of tunneling in the absence of quasienergy degeneracy are predicted to occur. Finally, we studied the dynamics of a mesoscopic ring (MR) subject to the action of HCPs. We show that the application of a single HCP on a ballistic thin MR can result in a postpulse, ultrafast build-up of the polarization of the ring. When the MR is exposed to the action of two orthogonal, linearly polarized HCPs, a non-equilibrium current can be induced in the ring. The induced non-equilibrium current lasts as long as the coherence is preserved and its peak value can be more than one order of magnitude greater than the persistent currents measured in ballistic MRs. Some potential applications and the possibility of experimentally detecting the postpulses non-equilibrium current are also discussed.