Universität zu Köln

Simulation von Tunnelstrukturen - Experimentelle und theoretische Untersuchungen an Systemen mit anomaler Dispersion

Vetter, Ralf-Michael (2002) Simulation von Tunnelstrukturen - Experimentelle und theoretische Untersuchungen an Systemen mit anomaler Dispersion. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei aufeinander aufbauende Teilgebiete: Zunächst wurden die verschiedenen physikalischen Mechanismen, die zum Tunnelverhalten führen, analysiert und in numerischen Simulationen im Zeit- und Frequenzbereich nachgebildet. Anschließend wurden die entwickelten Simulationsroutinen genutzt, um die Planung und die Optimierung von Messungen im Vorfeld zu unterstützen. Dabei wurden neue Eigenschaften des Tunnelprozesses aufgedeckt. Außerdem konnten die gemessenen Daten mit den simulierten Werten verglichen werden, wenn keine analytische Lösung bereitstand. Mit entsprechenden Zeitbereichssimulationen konnten die Freiraummessungen an periodischen und resonanten Strukturen nachvollzogen werden. Es konnte gezeigt werden, daß eine Signalfront den Tunnelprozess zwar störend überlagern kann, die überlichtschnelle Übertragung der Modulation aber nicht verhindert. Zusätzlich zu den bereits bekannten Anwendungen und Experimenten, die amplitudenmodulierte Signale verwenden, wurde ein frequenzmoduliertes Signal mit überlichtschneller Gruppengeschwindigkeit übertragen. Es wurde gezeigt, wie eine ideale mathematische Signalfolge durch Tiefpassfilterung und Modulation auf einen hochfrequenten Träger überlichtschnell übertragen werden kann. Mit der kombinierten Zeit- und Frequenzbereichsanalyse konnten die Tunnelzeitergebnisse reproduziert werden, die bisher nur auf indirektem Wege mit Hilfe einer Streuparametermessung möglich waren. Zusätzlich zu den Tunnelzeiten wurden auch die Reflexionszeiten untersucht. Dabei wurde gezeigt, daß bei unsymmetrischen Gitterstrukturen außerhalb der Bandlücke sogar negative Reflexionszeiten auftreten. Es wurde erklärt, daß die überlichtgeschwindigkeitseffekte von Bessel-Wellen rein geometrischer Natur sind und nichts mit überlichtschneller Signalausbreitung zu tun haben. Die Tunnelzeit-Hypothese wurde überprüft, ihre Gültigkeit konnte über viele Frequenzdekaden bestätigt werden, noch bevor eine analytische Lösung zu diesem Problem zur Verfügung stand. Die theoretische Vorhersage einer negativen Transmissionszeit durch einen Quantentopf konnte mit Hilfe der Simulationen auf ein Analogie-Experiment mit Mikrowellen übertragen und durch Messungen bestätigt werden. Eine Untersuchung der Resonanzen und Streuzustände des Quantentopfs ergab einen Mechanismus zur Entstehung negativer Phasenzeiten.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    The present work is divided into two tasks: first, the different physical mechanism leading to a tunneling behavior were examined and rebuilt in numerical simulation routines. After that, the simulation routines were used to design and optimize experimental setups and to obtain numerical results for setups where analytical solutions were not available. Many different physical processes can result in a tunneling phenomenom. These physical processes were simulated by numerical algorithms in the frequency and in the time domain. It was shown, that non-evanescent effects caused by a signal front may disturb the signal propagation, but they could not impede a superluminal propagation of the modulation. The time domain simulations were used to verify the tunneling experiments with dielectric heterostructures in free space. In addition to the amplitude modulation, a frequency modulated signal was also transmitted. An ideal mathematical signal sequence can be transmitted through a tunnel barrier after converting it into a physical signal by the use of a low pass filter and a modulation on a high frequency carrier. Using the combined time-and-frequency-domain simulation, the results of tunneling time measurements by a networkanalyser were verified. In addition to the tunneling time computation, also the reflection time at both sides of barriers was examined. It was shown, that negative reflection times can occur for unsymmetric lattices, and the tunneling time hypothesis was verified over a wide frequency range. A theoretical prediction about negative transmission times of quantum wells was applied in a microwave analogy and verified by measurements. The simulations lead to a mechanism which is in charge of the negative transmission times.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Vetter, Ralf-Michaelvetter@scai.fhg.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-9107
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Numerische Simulation, Tunnelstruktur, Zeitbereich, Frequenzbereich, Analogie-ExperimentGerman
    numerical simulation, tunneling structure, time domain, frequency domain, analogy experimentEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > II. Physikalisches Institut
    Language: German
    Date: 2002
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 03 July 2002
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 29 Jul 2003 12:33:54
    Referee
    NameAcademic Title
    Nimtz, GünterProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/910

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