In this Master’s thesis, we have focused on the description of three-level quantum systems through master equations for their density matrix, involving a recently proposed non-linear thermodynamic one. The first part is focused on a three-level system interacting with two heat baths, a hot and a cold one. We investigated the rate of heat flow from the hot to the cold bath through the quantum system, and how the steady-state is approached. Additional calculations here refer to the rate of entropy production and the evolution of all elements of the density matrix of the system from an arbitrary initial state to their equilibrium or steady-state value. The results are compared against those of a linear, Lindblad-type master equation designed so that for a quantum system interacting with only one heat bath, the same final Gibbs steady state is attained. In the second part of this thesis, we focus on the electromagnetically induced transparency (EIT), a phenomenon typically achievable only in atoms with specific energy structures. For a three level system (to which the present study has focused), for example, EIT requires two dipole allowed transitions (the 1-3 and the 2-3) and one forbidden (the 1-2). The phenomenon is observed when a strong laser (termed the control laser) is tuned to the resonant frequency of the upper two levels. Then, as a weak probe laser is scanned in frequency across the other transition, the medium is observed to exhibit both: a) transparency at what was the maximal absorption in the absence of the coupling field, and b) large dispersion effects at the atomic resonance. We discuss the Hamiltonian describing the phenomenon and we present results from two types of master equations: a) an empirically modified Von-Neumann one allowing for decays from each energy state, and b) a typical Lindblad one, with time-dependent operators. In the first case, an analytical solution is possible, which has been confirmed through a direct solution of the full master equation. In the second case, only numerical results can be obtained. We present and compare results from the two master equations for the susceptibility of the system with respect to the probe field, and we discuss them in light also of available experimental data for this very important phenomenon. / Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην περιγραφή των κβαντικών συστημάτων τριών καταστάσεων μέσω εξισώσεων master για την μήτρα πυκνότητας πιθανότητάς τους (density matrix), συμπεριλαμβάνοντας μία πρόσφατα προτεινόμενη μη-γραμμική θερμοδυναμική εξίσωση. Το πρώτο μέρος εστιάζει σε ένα σύστημα τριών καταστάσεων το οποίο βρίσκεται σε αλληλεπίδραση με δύο λουτρά θερμότητας, ένα θερμό και ένα ψυχρό. Εξετάζεται ο ρυθμός ροής θερμότητας από το θερμό προς το ψυχρό λουτρό μέσω του κβαντικού συστήματος, και με ποιον τρόπο επιτυγχάνεται η μόνιμη κατάσταση. Επιπλέον υπολογισμοί αναφέρονται στον ρυθμό παραγωγής της εντροπίας και στην εξέλιξη όλων των στοιχείων της μήτρας πυκνότητας πιθανότητας από μία τυχαία αρχική κατάσταση προς την ισορροπία ή τη μόνιμη κατάσταση. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται συγκριτικά με εκείνα μιας γραμμικής, τύπου Lindblad master εξίσωσης, κατάλληλα σχεδιασμένης ώστε στην ειδική περίπτωση ενός κβαντικού συστήματος σε αλληλεπίδραση με ένα λουτρό θερμότητας επιτυγχάνεται η ίδια τελική μόνιμη κατάσταση Gibbs. Στο δεύτερο μέρος, εστιάζουμε στην ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια (electromagnetically induced transparency (EIT)), ένα φαινόμενο το οποίο τυπικά είναι εφικτό μόνο σε άτομα με ειδικές ενεργειακές δομές. Για ένα σύστημα τριών καταστάσεων (στο οποίο επικεντρώνεται η παρούσα εργασία), για παράδειγμα, το ΕΙΤ απαιτεί δύο διπολικά επιτρεπτές μεταβάσεις (την 1-3 και την 2-3) και μία απαγορευμένη (την 1-2). Το φαινόμενο παρατηρείται όταν ένα ισχυρό laser (το αποκαλούμενο ως control laser) συντονίζεται στη συχνότητα των δύο άνω ενεργειακών σταθμών. Τότε, καθώς ένα ασθενές probe laser ανιχνεύεται με συχνότητα όμοια με της άλλης επιτρεπόμενης μετάβασης, το μέσο παρατηρείται να εμφανίζει τα εξής: α) διαφάνεια στο σημείο μέγιστης απορρόφησης απουσία του control πεδίου, και β) έντονα φαινόμενα διασποράς στον ατομικό συντονισμό. Θα συζητήσουμε τη Χαμιλτονιανή που περιγράφει το φαινόμενο και θα παρουσιάσουμε αποτελέσματα από δύο εξισώσεις master: α) μία εμπειρική τροποποιημένη Von-Neumann εξίσωση επιτρέποντας τις απώλειες από κάθε ενεργειακή κατάσταση, και β) μία τυπική Lindblad εξίσωση, με χρόνο-εξαρτώμενους τελεστές. Στην πρώτη περίπτωση, είναι πιθανή η εύρεση μιας αναλυτικής λύσης, η οποία έχει επιβεβαιωθεί μέσω μιας άμεσης (direct) λύσης της πλήρους εξίσωσης master. Στη δεύτερη περίπτωση, μπορούν να ληφθούν μόνο αριθμητικά αποτελέσματα. Παρουσιάζονται και συγκρίνονται τα αποτελέσματα που ελήφθησαν από τις δύο master εξισώσεις και αφορούν την επιδεκτικότητα (susceptibility) του συστήματος σε σχέση με το probe πεδίο, και τέλος συζητιούνται σε σχέση με διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα γι’ αυτό το πολύ σημαντικό φαινόμενο.

Στην εργασία αυτή μελετούμε φαινόμενα μεταβατικής (χρονικά εξαρτημένης) απορρόφησης σε δύο συστήματα κβαντικών τελειών, κάτω από συνθήκες που οδηγούν τις κβαντικές τελείες να εμφανίσουν σε στάσιμη κατάσταση φαινόμενα οπτικής διαφάνειας, και πιο συγκεκριμένα ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια και οπτική διαφάνεια λόγω εξωτερικού δυναμικού. Μετά από μια σχετικά σύντομη εισαγωγή στις κβαντικές τελείες και στο φαινόμενο και την ιστορία της ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενης διαφάνειας, τα συστήματα των κβαντικών τελειών μελετώνται με την μεθοδολογία του πίνακα πυκνότητας, η οποία αναπτύσσεται στην παρούσα εργασία. Τα αποτελέσματα που εξάγουμε προκύπτουν από αριθμητικές λύσεις των αντίστοιχων εξισώσεων του πίνακα πυκνότητας για διάφορες τιμές παραμέτρων. / In this thesis we study transient absorption in two quantum dot systems under the conditions of optical transparency. We will study two types of transparency; the first is voltage-controlled transparency and the second electromagnetically induced transparency. The thesis starts with a short introduction in quantum dot nanostructures that is followed by an introduction to the phenomenon and the history of electromagnetically induced transparency. We then study the coherent interaction of the electromagnetic fields with the quantum dots with the methodology of the density matrix that is analysed in the thesis. We solve the appropriate density matrix equations numerically for the structures under study and present results for several system parameters.

Όταν ηλεκρομαγνητική (ΗΜ) ακτινοβολία, προερχόμενη από κάποια πηγή, προσπίπτει σε σύνολο από σωμάτια τότε λαμβάνουν χώρα δύο φαινόμενα. Πρώτον, ασκούνται δυνάμεις στα σωμάτια οι οποίες οφείλονται αποκλειστικά στην σκέδαση της ΗΜ ακτινοβολίας της πηγής από αυτά. Οι δυνάμεις αυτές ονομάζονται Optical Trapping Forces. Δεύτερον, τα ίδια τα σωμάτια σκεδάζοντας την ΗΜ ακτινοβολία της πηγής, λειτουργούν και αυτά ως πηγές ακτινοβολίας. Έτσι ασκούν δυνάμεις το ένα στο άλλο. Οι δυνάμεις αυτές ονομάζονται Optical Binding Forces. H παράλληλη δράση των δύο αυτών ειδών δυνάμεων έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία ευσταθών δομών από τα σωμάτια. Προκειμένου την θεωρητική πρόβλεψη των δομών που αναπτύσσονται, χρειαζόμαστε έναν ταχύτατο αλγόριθμο υπολογισμού των δυνάμεων. Ο πιο ταχύς αλγόριθμος θα είναι το αποτέλεσμα της εύρεσης ενός αναλυτικού τύπου υπολογισμού των δυνάμεων. Η κατασκευή και η παρουσίαση του αναλυτικού τύπου αυτού είναι και το περιεχόμενο της εργασίας που ακολουθεί. / When the electromagnetic radiation, originating from a source, meets an ensemble of particles, there are two phenomena which take place. First, there are forces acting on these particles due exclusively to the scattering of the electromagnetic radiation from the particles. These are the so-called “Optical Trapping Forces”. Second, particles themselves act as sources of radiation since they scatter the radiation, and they exert forces one to another. These are the so-called “Optical Binding Forces”. The coexistence of these two different forces results in the creation of stable structures where the particles are self-organized. To achieve the theoretical prediction of these structures, we need a very efficient algorithm to calculate the forces. The fastest possible and thus more efficient algorithm originates from the analytical formula of the forces. The construction and the solution of the forces analytical formula is the content of this research work.