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Zusammenfassung

Optoelektronische Bauelemente gewannen in den letzten Jahren an Bedeutung zwecks ihrer möglichen Anwendungen im Bereich Informationsverarbeitung und Datenkommunikation. Halbleitermikrokavitäten haben sich als exzellente Plattformen für die Untersuchung fundamentaler Aspekte der Licht-Materie Wechselwirkung sowie die Erforschung funktionaler Aspekte herausgestellt. In diesen Strukturen entstehen Licht-Materie Quasiteilchen aus der starken Kopplung zwischen dem Lichtfeld in der Kavität und den Exzitonen im Halbleitermaterial. Die hybride Struktur dieser sogenannten Polaritonen zeichnet sich durch eine kleine effektive Masse, eine lange Kohärenzzeit und starke repulsive Wechselwirkungen aus, was sie experimentell zugänglich und gut geeignet für die Untersuchung nichtlinearer optischer Phänomene macht. Diese Arbeit konzentriert sich auf drei funktionale Aspekte von Polaritonen, die wir mit detaillierten numerischen und analytischen Berechnungen untersuchen. Der erste Teil fokussiert sich auf zwei verschiedene optische Schalter in einem resonant sowie nicht-resonant angeregten System, die auf der Polarisationsabhängigkeit der Polaritonen basieren. Der zweite Teil beschäftigt sich mit einer allgemeineren Charakterisierung von Polariton Kondensaten im Hinblick auf mögliche Anwendungen im Bereich der Quanteninformationstheorie. Innerhalb einer Theorie-Experiment Zusammenarbeit wird die Quantenkohärenz in verschiedenen Anregungskonfigurationen bestimmt.

Abstract

Optoelectronic devices have become increasingly important in recent years due to possible applications in information processing and data communication. The key point is the fundamental understanding of the underlying physics of the light-matter interaction. Semiconductor microcavities are excellent platforms to study fundamental aspects of the light-matter interaction as well as to explore functional aspects for possible applications. In these structures, light-matter quasiparticles arise due to a strong coupling between the cavity light field and the excitons in the semiconductor material. The hybrid nature of these so-called polaritons is characterized by a small effective mass, a long coherence time, and strong repulsive interactions, rendering them experimentally accessible and well-suited to investigate nonlinear optical phenomena. This thesis focuses on three different functional aspects of polaritons, which are explored with the help of extensive numerical and analytical calculations. In the first part, we investigate two distinct all- optical switching schemes based on the polaritons peculiar polarization dependence under resonant and nonresonant excitation. In the second part, we focus on a more general characterization of polariton condensates in terms of potential applications in quantum- information tasks. Within a theory-experiment cooperation, we determine the quantum coherence of a polariton condensates under spatially different excitation setups.