Die vorliegende Dissertation behandelt Grundlagen und Anwendungen der nichtlinearen Terahertzspektrospie (THz). Diese Arbeit zeigt erstmalig, dass sich die Inversion des Quantenkaskadenlasers nach einer Störung schon innerhalb von hundert Femtosekunden wieder erholt. Außerdem wurde der exakte Generationsprozess von THz Impulsen in einem Laser-induzierten zwei-Farben Plasma untersucht. Durch Vergleich mit Simulationen wird eindeutig der Ionisationsstrom im Plasma als Quelle der THz Strahlung identifiziert. Neue Spektroskopiemethoden in ein und zwei Zeitdimensionen werden entwickelt und auf verschiedene Halbleiterstrukturen angewendet. So wird das elektrische Feld des THz-Impulses für Hochfeld-Transportexperimente genutzt. Im quanten-kinetischen Regime entkoppelt die Elektronbewegung von den Phononmoden des Kristalls, und quasi-ballistischer Transport wird möglich. Wir entwickeln ein dynamisches Polaronmodell, welches sowohl die experimentellen Ergebnisse auf kurzen Zeitskalen als auch Literaturwerte auf langen Zeitskalen zuverlässig reproduziert. Bei niedrigen Temperaturen von 80 K tritt zusätzlich THz-induziertes Interbandtunneln in GaAs auf. Die temperaturabhängige Tunnelrate hängt dabei wesentlich von der Dekohärenzrate des induzierten Prozesses ab. Desweiteren wird eine kollineare 2D THz Spektroskopiemethode entwickelt und erstmals an Quantentrogstrukturen angewendet. Eine komplizierte, nichtkollineare Strahlgeometrie ist prinzipiell nicht notwendig. Die eingeführten Frequenzvektoren erklären das zugrundeliegende N-Wellen Mischen analog zum Raum auch in der Zeit. So werden mit einer kollinearen Strahlgeometrie alle nichtlinearen Signale simultan gemessen werden. Mit diesem Konzept wurden Rabi-Oszillationen an Intersubbandübergängen in Signale verschiedener nichtlinearer Ordnung zerlegt. Die ersten 2D Korrelationsspektren im THz-Bereich demonstrieren die energetischen Kopplungen zwischen verschiedenen polaronischen Zuständen in einer Doppel-Quantentrogstruktur. / The presented thesis concerns fundamentals and applications of nonlinear terahertz (THz) spectroscopy. It is demonstrates that the a gain recovery time of a quantum cascade laser (QCL) amounts only to several hundred femtoseconds. We explored the generation process of THz pulses within a laser-induced two-color plasma and identified the ionisation current as the origin of the THz radiation. Novel methods of THz spectroscopy in one and in two dimensions are developed and applied to different semiconductor heterostructures. We use the electric field of THz pulses for high-field transport experiments. Within this quantum-kinetic regime, the electron velocity decouples from phonon modes of the crystal lattice and quasi-ballistic transport becomes feasible during the first hundreds of femtoseconds. We develop a dynamic polaron model, which reproduces the experimental results on short time scales as well as the published values on long time scales. At low temperatures of 80 K, we find additional THz-induced interband tunneling in GaAs. The temperature dependent tunneling rate depends essentially on the decoherence time of the induced process. Furthermore, a novel method of collinear 2D THz spectroscopy is developed and applied to quantum well structures. Frequency vectors are introduced to explain the underlying process of N-wave mixing not in space, but in time. This allows for a collinear beam geometry to measure all nonlinear signals simultaneously. We used this new method to decompose Rabi oscillations on intersubband transitions into nonlinear signals of different order. The first 2D correlation spectra in the THz frequency range demonstrate energetic couplings between polaronic states within an asymmetric double quantum well structure. Another experiment displays for the first time the 2D correlation spectrum of a 2pi Rabi flop on the intersubband transition of a multiple quantum well structure.

Die fortschreitenden Entwicklungen in der Mikro- und Nanotechnologie erfordern eine solide Unterstützung durch Simulationen. Numerische Bauelementesimulationen waren und sind dabei unerlässliche Werkzeuge, die jedoch zunehmend an ihre Grenzen kommen. So basieren sie auf Parametern, die für beliebige Atomanordnungen nicht verfügbar sind, und scheitern für stark verkleinerte Strukturen infolge zunehmender Relevanz von Quanteneffekten. Diese Arbeit behandelt den Transport in Siliziumnanodrähten sowie durch NiSi2-Si-Grenzflächen. Dichtefunktionaltheorie wird dabei verwendet, um die stabile Atomanordnung und alle für den elektronischen Transport relevanten quantenmechanischen Effekte zu beschreiben. Bei der Untersuchung der Nanodrähte liegt das Hauptaugenmerk auf der radialen Abhängigkeit der elektronischen Struktur sowie deren Änderung bei Variation des Durchmessers. Dabei zeigt sich, dass der Kern der Nanodrähte für den Ladungstransport bestimmend ist. Weiterhin kann ein Durchmesser von ungefähr 5 nm identifiziert werden, oberhalb dessen die Zustandsdichte im Nanodraht große Ähnlichkeiten mit jener des Silizium-Volumenkristalls aufweist und der Draht somit zunehmend mit Näherungen für den perfekt periodischen Kristall beschrieben werden kann. Der Fokus bei der Untersuchung der NiSi2-Si-Grenzflächen liegt auf der Symmetrie von Elektron- und Lochströmen im Tunnelregime, welche für die Entwicklung von rekonfigurierbaren Feldeffekttransistoren besondere Relevanz hat. Verschiedene NiSi2-Si-Grenzflächen und Verzerrungszustände werden dabei systematisch untersucht. Je nach Grenzfläche ist die Symmetrie dabei sehr unterschiedlich und zeigt auch ein sehr unterschiedliches Verhalten bei externer Verzerrung. Weiterhin werden grundlegende physikalische Größen mit Bezug zu NiSi2-Si-Grenzflächen betrachtet. So wird beispielsweise die Stabilität anhand von Grenzflächen-Energien ermittelt. Am stabilsten sind {111}-Grenzflächen, was deren bevorzugtes Auftreten in Experimenten erklärt. Weitere wichtige Größen, deren Verzerrungsabhängigkeit untersucht wird, sind die Schottky-Barrierenhöhe, die effektive Masse der Ladungsträger sowie die Austrittsarbeiten von NiSi2- und Si-Oberflächen. Ein Beitrag zur Modellentwicklung numerischer Bauelementesimulationen wird durch einen Vergleich zwischen den Ergebnissen von Dichtefunktionaltheorie-basierten Transportrechnungen und denen eines vereinfachten Models basierend auf der Wentzel-Kramers-Brillouin-Näherung geliefert. Diese Näherung ist Teil vieler numerischer Bauelementesimulatoren und erlaubt die Berechnung des Tunnelstroms basierend auf grundlegenden physikalischen Größen. Der Vergleich ermöglicht eine Evaluierung des vereinfachten Models, welches anschließend genutzt wird, um den Einfluss der grundlegenden physikalischen Größen auf den Tunneltransport zu untersuchen.:Index of Abbreviations 1. Introduction 2. Silicon Based Devices and Silicon Nanowires 2.1. Introduction 2.2. The Reconfigurable Field-effect Transistor 2.2.1. Design and Functionality 2.2.2. Fabrication 2.3. Overview Over Silicon Nanowires 2.3.1. Geometric Structure 2.3.2. Fabrication Techniques 2.3.3. Electronic Properties 3. Simulation Tools 3.1. Introduction 3.2. Electronic Structure Calculations 3.2.1. Introduction and Basis Functions 3.2.2. Density Functional Theory 3.2.3. Description of Exchange and Correlation Effects 3.2.4. Practical Aspects of Density Functional Theory 3.3. Electron Transport 3.3.1. Introduction 3.3.2. Scattering Theory 3.3.3. Wentzel-Kramers-Brillouin Approximation for a Triangular Barrier 3.3.4. Non-equilibrium Green’s Function Formalism A. Radially Resolved Electronic Structure and Charge Carrier Transport in Silicon Nanowires A.1. Introduction A.2. Model System A.3. Results and Discussion A.4. Summary and Conclusions A.5. Appendix A: Computational Details A.6. Appendix B: Supplementary Material A.6.1. Comparison of the Band Gap Between Relaxed and Unrelaxed SiNWs A.6.2. Band Structures for Some of the Calculated SiNWs A.6.3. Radially Resolved Density of States for Some of the Calculated SiNWs B. Electron Transport Through NiSi2-Si Contacts and Their Role in Reconfigurable Field-effect Transistors B.1. Introduction B.2. Model for Reconfigurable Field-effect Transistors B.2.1. Atomistic Quantum Transport Model to Describe Transport Across the Contact Interface B.2.2. Simplified Compact Model to Calculate the Device Characteristics B.3. Results and Discussion B.3.1. Characteristics of a Reconfigurable Field-effect Transistor B.3.2. Variation of the Crystal Orientations and Influence of the Schottky Barrier B.3.3. Comparison to Fabricated Reconfigurable Field-effect Transistors B.4. Summary and Conclusions B.5. Appendix: Supplementary Material B.5.1. Band Structure and Density of States of the Contact Metal B.5.2. Relaxation Procedure B.5.3. Total Transmission Through Multiple Barriers C. Formation and Crystallographic Orientation of NiSi2-Si Interfaces C.1. Introduction C.2. Fabrication and characterization methods C.3. Model System and Simulation Details C.4. Results and discussion C.4.1. Atomic structure of the interface C.4.2. Discussion of ways to modify the interface orientation C.5. Summary C.6. Appendix: Supplementary Material D. NiSi2-Si Interfaces Under Strain: From Bulk and Interface Properties to Tunneling Transport D.1. Introduction D.2. Model System and Simulation Approach D.3. Computational Details D.3.1. Electronic Structure Calculations (Geometry Relaxations) D.3.2. Electronic Structure Calculations (Electronic Structure) D.3.3. Device Calculations D.4. Tunneling Transport From First-principles Calculations D.4.1. Evaluation of the Current D.4.2. Isotropic Strain D.4.3. Anisotropic Strain D.5. Transport Related Properties and Effective Modeling Schemes D.5.1. Schottky Barrier Height D.5.2. Simplified Transport Model D.5.3. Models for the Schottky Barrier Height D.6. Summary and Conclusions D.7. Appendix: Supplementary Material D.7.1. Schottky Barriers of the {110} Interface Under Anisotropic Strain D.7.2. Silicon Band Structure, Electric Field, and Number of Transmission Channels D.7.3. k∥-resolved Material Properties D.7.4. Evaluation of the Work Functions and Electron Affinities D.7.5. Verification of the Work Function Calculation 4. Discussion 5. Ongoing Work and Possible Extensions 6. Summary Bibliography List of Figures List of Tables Acknowledgements Selbstständigkeitserklärung Curriculum Vitae Scientific Contributions / The ongoing developments in micro- and nanotechnologies require a profound support from simulations. Numerical device simulations were and still are essential tools to support the device development. However, they gradually reach their limits as they rely on parameters, which are not always available, and neglect quantum effects for small structures. This work addresses the transport in silicon nanowires and through NiSi2-Si interfaces. By using density functional theory, the atomic structure is considered, and all electron transport related quantum effects are taken into account. Silicon nanowires are investigated with special attention to their radially resolved electronic structure and the corresponding modifications when the silicon diameter is reduced. The charge transport occurs mostly in the nanowire core. A diameter of around 5 nm can be identified, above which the nanowire core exhibits a similar density of states as bulk silicon. Thus, bulk approximations become increasingly valid above this diameter. NiSi2-Si interfaces are studied with focus on the symmetry between electron and hole currents in the tunneling regime. The symmetry is especially relevant for the development of reconfigurable field-effect transistors. Different NiSi2-Si interfaces and strain states are studied systematically. The symmetry is found to be different between the interfaces. Changes of the symmetry upon external strain are also very interface dependent. Furthermore, fundamental physical properties related to NiSi2-Si interfaces are evaluated. The stability of the different interfaces is compared in terms of interface energies. {111} interfaces are most stable, which explains their preferred occurrence in experiments. Other properties, whose strain dependence is studied, include the Schottky barrier height, the effective mass of the carriers, and work functions. A contribution to the development of numerical device simulators will be given by comparing the results from density functional theory based transport calculations and a model based on the Wentzel-Kramers-Brillouin approximation. This approximation, which is often employed in numerical device simulators, offers a relation between interface properties and the tunneling transport. The comparison allows an evaluation of the simplified model, which is then used to investigate the relation between the fundamental physical properties and the tunneling transport.:Index of Abbreviations 1. Introduction 2. Silicon Based Devices and Silicon Nanowires 2.1. Introduction 2.2. The Reconfigurable Field-effect Transistor 2.2.1. Design and Functionality 2.2.2. Fabrication 2.3. Overview Over Silicon Nanowires 2.3.1. Geometric Structure 2.3.2. Fabrication Techniques 2.3.3. Electronic Properties 3. Simulation Tools 3.1. Introduction 3.2. Electronic Structure Calculations 3.2.1. Introduction and Basis Functions 3.2.2. Density Functional Theory 3.2.3. Description of Exchange and Correlation Effects 3.2.4. Practical Aspects of Density Functional Theory 3.3. Electron Transport 3.3.1. Introduction 3.3.2. Scattering Theory 3.3.3. Wentzel-Kramers-Brillouin Approximation for a Triangular Barrier 3.3.4. Non-equilibrium Green’s Function Formalism A. Radially Resolved Electronic Structure and Charge Carrier Transport in Silicon Nanowires A.1. Introduction A.2. Model System A.3. Results and Discussion A.4. Summary and Conclusions A.5. Appendix A: Computational Details A.6. Appendix B: Supplementary Material A.6.1. Comparison of the Band Gap Between Relaxed and Unrelaxed SiNWs A.6.2. Band Structures for Some of the Calculated SiNWs A.6.3. Radially Resolved Density of States for Some of the Calculated SiNWs B. Electron Transport Through NiSi2-Si Contacts and Their Role in Reconfigurable Field-effect Transistors B.1. Introduction B.2. Model for Reconfigurable Field-effect Transistors B.2.1. Atomistic Quantum Transport Model to Describe Transport Across the Contact Interface B.2.2. Simplified Compact Model to Calculate the Device Characteristics B.3. Results and Discussion B.3.1. Characteristics of a Reconfigurable Field-effect Transistor B.3.2. Variation of the Crystal Orientations and Influence of the Schottky Barrier B.3.3. Comparison to Fabricated Reconfigurable Field-effect Transistors B.4. Summary and Conclusions B.5. Appendix: Supplementary Material B.5.1. Band Structure and Density of States of the Contact Metal B.5.2. Relaxation Procedure B.5.3. Total Transmission Through Multiple Barriers C. Formation and Crystallographic Orientation of NiSi2-Si Interfaces C.1. Introduction C.2. Fabrication and characterization methods C.3. Model System and Simulation Details C.4. Results and discussion C.4.1. Atomic structure of the interface C.4.2. Discussion of ways to modify the interface orientation C.5. Summary C.6. Appendix: Supplementary Material D. NiSi2-Si Interfaces Under Strain: From Bulk and Interface Properties to Tunneling Transport D.1. Introduction D.2. Model System and Simulation Approach D.3. Computational Details D.3.1. Electronic Structure Calculations (Geometry Relaxations) D.3.2. Electronic Structure Calculations (Electronic Structure) D.3.3. Device Calculations D.4. Tunneling Transport From First-principles Calculations D.4.1. Evaluation of the Current D.4.2. Isotropic Strain D.4.3. Anisotropic Strain D.5. Transport Related Properties and Effective Modeling Schemes D.5.1. Schottky Barrier Height D.5.2. Simplified Transport Model D.5.3. Models for the Schottky Barrier Height D.6. Summary and Conclusions D.7. Appendix: Supplementary Material D.7.1. Schottky Barriers of the {110} Interface Under Anisotropic Strain D.7.2. Silicon Band Structure, Electric Field, and Number of Transmission Channels D.7.3. k∥-resolved Material Properties D.7.4. Evaluation of the Work Functions and Electron Affinities D.7.5. Verification of the Work Function Calculation 4. Discussion 5. Ongoing Work and Possible Extensions 6. Summary Bibliography List of Figures List of Tables Acknowledgements Selbstständigkeitserklärung Curriculum Vitae Scientific Contributions

We investigate two different coupling schemes between a nano-scale mechanical resonator and one-electron atoms. In these schemes, classical electromagnetic radiation mediates a mutual communication between the mechanical resonator and the atoms. In the process it generates atomic coherences, quantum superpositions of excited electronic levels of the atoms. An atomic coherence is highly responsive to subtle variations in the relative frequencies of the levels participating in such superposition state. By exposing the atoms to electromagnetic radiation modulated by the motion of the mechanical resonator, we show how the response of an atomic coherence can, under appropriate conditions, be used to affect on demand the dynamical state of the mechanical resonator. The first scheme realizes a long range interface between a mechanical resonator and an ensemble of three-level atoms. Here, mechanically modulated electromagnetic radiation comes from a laser beam reflected off an oscillating mirror, the mechanical resonator. This light beam drives the transition between an excited level and a hyperfine sublevel of the atoms with a certain detuning. A weaker light beam resonantly couples to the transition between the excited level and another hyperfine sublevel. On full resonance, the atoms evolve into a stationary coherence of the above (non-absorbing) hyperfine sublevels only. The atoms then become transparent to the weaker light beam, in a phenomenon called electromagnetically induced transparency. Off resonance, we find that this transparency is modulated at the mirror frequency with some phase shift, which allows the weaker beam to cause resonant backaction onto the moving mirror. The strength of this backaction is enhanced near atomic resonances and its character can be switched between amplification or damping of mirror vibrations by adjusting the detuning. In contrast, the second scheme accomplishes a closer range interface between a torsion pendulum and guided two level Rydberg atoms. Attaching a point electric dipole to the torsion pendulum allows electromagnetic coupling to two Rydberg levels of a passing atom. This coupling modifies the eigenfrequencies of the Rydberg levels such that they become dependent on the phonon number of the torsion pendulum. Via Ramsey interferometry, we may readout this effect and thus measure the phonon number. We show that, by subjecting several atoms, one by one, to a Ramsey measurement, a quantum non-demolition detection of the phonon number is feasible. Likewise, we show coherent oscillator displacements possible, by driving the atoms with external fields while they interact with the torsion pendulum. We propose a protocol to reconstruct the quantum state of motion of the torsion pendulum, combining these two techniques, Ramsey measurements and oscillator displacements. Our interfaces between a mechanical resonator and atoms provide alternative routes for the control of the state of motion, ultimately quantum mechanical, of a mechanical resonator, in which the latter is not restricted to be part of a cavity. We will thus ease quantum dynamical manipulations of mechanical resonators of sub micron scales, for which an efficient design of cavity opto- and electro-mechanical systems is hard.

Die verlässliche Erzeugung einzelner Photonen mit wohldefinierten Eigenschaften in allen Freiheitsgraden ist entscheidend für die Entwicklung photonischer Quantentechnologien. Derzeit basieren die wichtigsten Einzelphotonenquellen auf dem Prozess der spontanen parameterischen Fluoreszenz (SPF), bei dem ein Pumpphoton in einem nichtlinearen Medium spontan in ein Paar aus Signal und Idlerphotonen zerfällt. Resonator-überhöhte SPF, also das Plazieren des nichtlinearen Mediums in einem optischen Resonator, ist ein weit verbreitetes Verfahren, um Einzelphotonenquellen mit erhöhter Helligkeit und angepassten spektralen Eigenschaften zu konstruieren. Das Anpassen der spektralen Eigenschaften durch gezielte Auswahl der Resonatoreigenschaften ist besonders für hybride Quantentechnologienvon Bedeutung, welche darauf abzielen, unterschiedliche Quntensysteme so zu kombinieren, dass sich deren Vorteile ergänzen. Diese Arbeit stellt eine umfassende theoretische und experimentelle Analyse der dreifach resonanten SPF vor. Das aus der Literatur bekannte theoretische Modell wird diesbezüglich verbessert, dass der Einfluss sämtlicher Eigenschaften des Resonators auf die wichtigen experimentellen Größen (z.B. die Erzeugungsrate) gezielt ausgewertet werden kann. Dieses verbesserte und hoch genaue Modell stellt eine wichtige Grundlage für die Entwicklung und Optimierung neuartiger Photonenpaarquellen dar. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird der Aufbau und die Charakterisierung einer dreifach resonanten Photonenpaarquellen präsentiert. Die neu entwickelte digitale Regelelektronik sowie ein hochstabiler, schmalbandiger Monochromator welcher auf monolitischen, polarisationsunabhängigen Fabry-Pérot Resonatoren basiert, werden vorgestellt. Indem diese temperaturstabilisierten Resonatoren als Spetrumanalysator verwendet werden, wird zum ersten Mal die Frequenzkammstruktur des Spektrums der erzeugten Signal- und Idlerphotonen nachgewiesen. Des Weiteren wird der Einfluss der Pumpresonanz auf die Korrelationsfunktion und die Zweiphotoneninterferenz von Signal- und Idlerphotonen simuliert und vermessen. Abschließend werden Experimente aus dem Bereich der hybriden Quantennetzwerke präsentiert, in welchen Quantenfrequenzkonversion verwendet wird um die erzeugten Signalphotonen in das Telekommunikationsband zu transferieren. Dabei wird nachgewiesen, dass das temporale Wellenpaket durch die Konversion nicht beeinflusst wird und aufgezeigt, wie Quantennetzwerke von kommerziellen Telekommunikationstechnologien profitieren können. / The consistent generation of single photons with well-defined properties in all degrees of freedom is crucial for the development of photonic quantum technologies. Today, the most prominent sources of single photons are based on the process of spontaneous parametric down-conversion (SPDC) where a pump photon spontaneously decays into a pair of signal and idler photons inside a nonlinear medium. Cavity-enhanced SPDC, i.e., placing the nonlinear medium inside an optical cavity, is widely used to build photon-pair sources with increased brightness and tailored spectral properties. This spectral tailoring by selective adjustment of the cavity parameters is of particular importance for hybrid quantum technologies which seek to combine dissimilar quantum systems in a way that their advantages complement each other. This thesis provides a comprehensive theoretical and experimental analysis of triply-resonant cavity-enhanced SPDC. We improve the theoretical model found in the literature such that the influence of all resonator properties on the important experimental parameters (e.g., the generation rate) can be analyzed in detail. This convenient and highly accurate model of cavity-enhanced SPDC represents an important basis for the design and optimization of novel photonpair sources. The experimental part of this thesis presents the setup and characterization of a triply-resonant photon-pair source. We describe the digital control system used to operate this source over days without manual intervention, and we present a highly stable, narrow-linewidth monochromator based on cascaded, polarization-independent monolithic Fabry-Pérot cavities. Utilizing these temperature-stabilized cavities as a spectrum analyzer, we verify, for the first time, the frequency comb spectral structure of photons generated by cavity-enhanced SPDC. We further simulate and measure the impact of the pump resonance on the temporal wave-packets and the two-photon interference of signal and idler photons. Finally, we present a series of experiments in the context of hybrid quantum networks where we employ quantum frequency conversion (QFC) to transfer the generated signal photons into the telecommunication band. We verify the preservation of the temporal wave-packet upon QFC and highlight how quantum networks can benefit from advanced commercial telecommunication technologies.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden neuartige integrierte Einzelphotonenquellen (EPQ) und ihre Anwendung für die Quanteninformationsverarbeitung entwickelt und untersucht. Die Erzeugung von Einzelphotonen basiert auf einzelnen Defektzentren in nanometergroßen Diamantkristallen mit einzigartigen optischen Eigenschaften: Stabilität bei Zimmertemperatur ohne optisches Blinken. Diamantkristalle mit Größen bis unter 20nm wurden mit neuartigen „pick-and-place“ Techniken (z.B. mit einem Atomkraftmikroskop) in komplexe photonische Strukturen integriert. Zwei unterschiedliche Ansätze für die Realisierung der neuartigen EPQ wurden verfolgt. Beim ersten werden fluoreszierende Diamantkristalle in nano- und mikrometergroße Faser-basierte oder resonante Strukturen in einem „bottom-up“ Ansatz integriert, dadurch werden zusätzliche optische Komponenten überflüssig und das Gesamtsystem ultra-stabil und wartungsfrei. Der zweite Ansatz beruht auf einem Festkörperimmersionsmikroskop (FIM). Seine Festkörperimmersionslinse wirkt wie eine dielektrische Antenne für die Emission der Defektzentren. Es ermöglicht die höchsten bisher erreichten Photonenzählraten von Stickstoff-Fehlstellen von bis zu 2.4Mcts/s und Einsammeleffizienzen von bis zu 4.2%. Durch Anwendung des FIM bei cryogenen Temperaturen wurden neuartige Anwendungen und fundamentale Untersuchungen möglich, weil Photonenraten signifikant erhöht wurden. Die Bestimmung der spektralen Diffusionszeit eines einzelnen Defektzentrums (2.2µs) gab neue Erkenntnisse über die Ursachen von spektraler Diffusion. Spektrale Diffusion ist eine limitierende Eigenschaft für die Realisierung von Quanteninformationsanwendungen. Das Tisch-basierte FIM wurde außerdem als kompakte mobile EPQ mit Ausmaßen von nur 7x19x23cm^3 realisiert. Es wurde für ein Quantenkryptographie-Experiment implementiert, zum ersten Mal mit Siliziumdefektzentren. Des Weiteren wurde ein neues Konzept für die Erzeugung von infraroten EPQ entwickelt und realisiert. / The presented thesis covers the development and investigation of novel integrated single photon (SP) sources and their application for quantum information schemes. SP generation was based on single defect centers in diamond nanocrystals. Such defect centers offer unique optical properties as they are room temperature stable, non-blinking, and do not photo-bleach over time. The fluorescent nanocrystals are mechanically stable, their size down to 20nm enabled the development of novel nano-manipulation pick-and-place techniques, e.g., with an atomic force microscope, for integration into photonic structures. Two different approaches were pursued to realize novel SP sources. First, fluorescent diamond nanocrystals were integrated into nano- and micrometer scaled fiber devices and resonators, making them ultra-stable and maintenance free. Secondly, a solid immersion microscope (SIM) was developed. Its solid immersion lens acts as a dielectric antenna for the emission of defect centers, enabling the highest photon rates of up to 2.4Mcts/s and collection efficiencies of up to 4.2% from nitrogen vacancy defect centers achieved to date. Implementation of the SIM at cryogenic temperatures enabled novel applications and fundamental investigations due to increased photon rates. The determination of the spectral diffusion time of a single nitrogen vacancy defect center (2.2µs) gave new insights about the mechanisms causing spectral diffusion. Spectral diffusion is a limiting property for quantum information applications. The table-top SIM was integrated into a compact mobile SP system with dimension of only 7x19x23cm^3 while still maintaining record-high stable SP rates. This makes it interesting for various SP applications. First, a quantum key distribution scheme based on the BB84 protocol was implemented, for the first time also with silicon vacancy defect centers. Secondly, a conceptually novel scheme for the generation of infrared SPs was introduced and realized.

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Aggregate aus Molekülen, in denen die Moleküle über ihre elektronischen Übergangsdipole miteinander wechselwirken, finden wegen ihrer besonderen optischen und Energietransfer-Eigenschaften vielfach Anwendung in Natur, Technik, Biologie und Medizin. Beispiele sind die wechselwirkenden Farbstoffmoleküle, die in den Lichtsammelkomplexen Photosynthese betreibender Lebewesen Sonnenlicht absorbieren und die Energie als elektronische Anregung hocheffizient zu Reaktionszentren weiterleiten, oder Aggregate aus tausenden von organischen Farbstoffmolekülen in einem flüssigen Lösungsmittel. Die Wechselwirkung der Moleküle (Monomere) führt zu über mehrere Moleküle delokalisierten angeregten elektronischen Zuständen, die die Energietransfer-Dynamik und die Absorptionsspektren der Aggregate prägen. Die Lichtabsorption und der Energietransfer in molekularen Aggregaten werden oft stark von Vibrationen beeinflusst, sowohl von internen Vibrationsfreiheitsgraden der Monomere als auch von Vibrationen der Umgebung (z. B. das Proteingerüst in Lichtsammelkomplexen oder eine Flüssigkeitsumgebung), an die die elektronische Anregung koppelt. Da es schwierig ist, diese Vibrationen in die theoretische Beschreibung des Transfers und der Spektren einzubeziehen, ist ihr genauer Einfluss noch nicht gut verstanden. Um dieses Verständnis zu verbessern, entwickeln wir in dieser Arbeit neue Berechnungsmethoden und untersuchen damit die Auswirkungen der Vibrationen. Zuerst betrachten wir die diskreten internen Vibrationsfreiheitsgrade der Monomere. Dazu haben wir eine effiziente numerische Methode entwickelt, die es uns erlaubt, mehrere Freiheitsgrade pro Monomer explizit einzubeziehen und die volle Schrödinger-Gleichung zu lösen. Mit den Modellrechnungen können wir experimentelle Aggregat-Spektren der Helium-Nanotröpfchen-Isolation-Spektroskopie, mit der man die einzelnen Vibrationslinien der Monomere auflösen kann, zum ersten Mal quantitativ reproduzieren. In früheren theoretischen Behandlungen wurde oft nur ein einziger Vibrationsfreiheitsgrad pro Monomer berücksichtigt – nun zeigen wir, dass die Einbeziehung möglichst vieler Freiheitsgrade für eine realistische Beschreibung von Aggregat-Spektren wichtig ist. Um neben den internen Vibrationen auch den Einfluss der Umgebung beschreiben zu können, nutzen wir den Zugang offener Quantensysteme und nehmen an, dass die elektronische Anregung an ein strukturiertes Kontinuum von Vibrationsfreiheitsgraden koppelt. Erstmals wenden wir die sogenannte nicht-markovsche Quanten-Zustands-Diffusion auf die molekularen Aggregate an, wodurch wir mit Hilfe einer Näherung Spektren und Transfer mit einer sehr effizienten stochastischen Schrödinger-Gleichung berechnen können. So können wir Merkmale gemessener Aggregat-Spektren, wie das schmale J-Band und das breite strukturierte H-Band, in Abhängigkeit der Anzahl der Monomere und der Wechselwirkungsstärke zwischen den Monomeren beschreiben. Auch können wir den Übergang von kohärentem zu inkohärentem Transfer erfassen. Eine für den Transfer relevante Größe ist die Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere im Aggregat. Diese schätzt man häufig aus der Verschmälerung des Aggregat-Spektrums ab. Wir finden jedoch für verschiedene Spektraldichten des Vibrationskontinuums sehr unterschiedliche Verschmälerungen des Aggregat-Spektrums, die wir analytisch erklären. So zeigen wir, dass die bisherige einfache Abschätzung der Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere nicht gerechtfertigt ist, da die Verschmälerung stark vom angenommenen Modell abhängt.

Aggregate aus Molekülen, in denen die Moleküle über ihre elektronischen Übergangsdipole miteinander wechselwirken, finden wegen ihrer besonderen optischen und Energietransfer-Eigenschaften vielfach Anwendung in Natur, Technik, Biologie und Medizin. Beispiele sind die wechselwirkenden Farbstoffmoleküle, die in den Lichtsammelkomplexen Photosynthese betreibender Lebewesen Sonnenlicht absorbieren und die Energie als elektronische Anregung hocheffizient zu Reaktionszentren weiterleiten, oder Aggregate aus tausenden von organischen Farbstoffmolekülen in einem flüssigen Lösungsmittel. Die Wechselwirkung der Moleküle (Monomere) führt zu über mehrere Moleküle delokalisierten angeregten elektronischen Zuständen, die die Energietransfer-Dynamik und die Absorptionsspektren der Aggregate prägen. Die Lichtabsorption und der Energietransfer in molekularen Aggregaten werden oft stark von Vibrationen beeinflusst, sowohl von internen Vibrationsfreiheitsgraden der Monomere als auch von Vibrationen der Umgebung (z. B. das Proteingerüst in Lichtsammelkomplexen oder eine Flüssigkeitsumgebung), an die die elektronische Anregung koppelt. Da es schwierig ist, diese Vibrationen in die theoretische Beschreibung des Transfers und der Spektren einzubeziehen, ist ihr genauer Einfluss noch nicht gut verstanden. Um dieses Verständnis zu verbessern, entwickeln wir in dieser Arbeit neue Berechnungsmethoden und untersuchen damit die Auswirkungen der Vibrationen. Zuerst betrachten wir die diskreten internen Vibrationsfreiheitsgrade der Monomere. Dazu haben wir eine effiziente numerische Methode entwickelt, die es uns erlaubt, mehrere Freiheitsgrade pro Monomer explizit einzubeziehen und die volle Schrödinger-Gleichung zu lösen. Mit den Modellrechnungen können wir experimentelle Aggregat-Spektren der Helium-Nanotröpfchen-Isolation-Spektroskopie, mit der man die einzelnen Vibrationslinien der Monomere auflösen kann, zum ersten Mal quantitativ reproduzieren. In früheren theoretischen Behandlungen wurde oft nur ein einziger Vibrationsfreiheitsgrad pro Monomer berücksichtigt – nun zeigen wir, dass die Einbeziehung möglichst vieler Freiheitsgrade für eine realistische Beschreibung von Aggregat-Spektren wichtig ist. Um neben den internen Vibrationen auch den Einfluss der Umgebung beschreiben zu können, nutzen wir den Zugang offener Quantensysteme und nehmen an, dass die elektronische Anregung an ein strukturiertes Kontinuum von Vibrationsfreiheitsgraden koppelt. Erstmals wenden wir die sogenannte nicht-markovsche Quanten-Zustands-Diffusion auf die molekularen Aggregate an, wodurch wir mit Hilfe einer Näherung Spektren und Transfer mit einer sehr effizienten stochastischen Schrödinger-Gleichung berechnen können. So können wir Merkmale gemessener Aggregat-Spektren, wie das schmale J-Band und das breite strukturierte H-Band, in Abhängigkeit der Anzahl der Monomere und der Wechselwirkungsstärke zwischen den Monomeren beschreiben. Auch können wir den Übergang von kohärentem zu inkohärentem Transfer erfassen. Eine für den Transfer relevante Größe ist die Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere im Aggregat. Diese schätzt man häufig aus der Verschmälerung des Aggregat-Spektrums ab. Wir finden jedoch für verschiedene Spektraldichten des Vibrationskontinuums sehr unterschiedliche Verschmälerungen des Aggregat-Spektrums, die wir analytisch erklären. So zeigen wir, dass die bisherige einfache Abschätzung der Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere nicht gerechtfertigt ist, da die Verschmälerung stark vom angenommenen Modell abhängt.

Thermodynamic processes in finite time are in general irreversible. But there are chances to avoid irreversibility. For instance, there are canonical ensembles of special quantum systems with a given probability distribution describing the likelihood to find the system at time t=0 in a particular state with energy E_i(0), which can be controlled in a specific way, such that the initial probability distribution is recovered at the end of the process (t=T), but the state energies did change, hence E_i(0) is not equal to E_i(T). This allows to change thermodynamic quantities (expectation values) adiabatically, reversibly and in finite time. Such special processes are called Shortcuts to Adiabaticity. The presented thesis analyzes the origin of these shortcuts utilizing special Hamiltonian systems with dynamical algebra. Their main feature is to provide canonical invariance, which means a canonical ensemble stays canonical under Hamiltonian dynamics. This invariance carried by the dynamical algebra will be discussed using Lie group theory. In addition, the persistence of the dynamical algebra with respect to calculating expectation values will be deduced. This allows to benefit from all intrinsic symmetries within the discussion of ensemble trajectories. In consequence, these trajectories will evolve under Hamiltonian dynamics on a specific manifold given by the so-called Casimir companion. In addition, the deformation of this manifold due to non-Hamiltonian (dissipative) dynamics will be discussed, which allows to present a framework for modeling irreversible processes based on Hamiltonian systems with dynamical algebra. An application of this framework based on the parametric harmonic oscillator will be presented by determining time-optimal controls for transitions between two equilibrium as well as between non-equilibrium and equilibrium states. The latter one will lead to time-optimal equilibration strategies for a statistical ensemble of parametric harmonic oscillators. / Thermodynamische Prozesse in endlicher Zeit sind im Allgemeinen irreversibel. Es gibt jedoch Möglichkeiten, diese Irreversibilität zu umgehen. Ein kanonisches Ensemble eines speziellen quantenmechanischen Systems kann zum Beispiel auf eine ganz spezielle Art und Weise gesteuert werden, sodass nach endlicher Zeit T wieder eine kanonische Besetzungverteilung hergestellt ist, sich aber dennoch die Energie des Systems geändert hat (E(0) ungleich E(T)). Solche Prozesse erlauben das Ändern thermodynamischer Größen (Ensemblemittelwerte) der erwähnten speziellen Systeme in endlicher Zeit und auf eine adiabatische und reversible Art. Man nennt diese Art von speziellen Prozessen Shortcuts to Adiabaticity und die speziellen Systeme hamiltonsche Systeme mit dynamischer Algebra. Die vorliegende Dissertation hat zum Ziel den Ursprung dieser Shortcuts to Adiabaticity zu analysieren und eine Methodik zu entwickeln, die es erlaubt irreversible thermodynamische Prozesse adequat mittels dieser speziellen Systeme zu modellieren. Dazu wird deren besondere Eigenschaft ausgenutzt, die kanonische Invarianz, d.h. ein kanonisches Ensemble bleibt kanonisch bezüglich hamiltonscher Dynamik. Der Ursprung dieser Invarianz liegt in der dynamischen Algebra, die mit Hilfe der Theorie der Lie-Gruppen näher betrachtet wird. Dies erlaubt, eine weitere besondere Eigenschaft abzuleiten: Die Ensemblemittelwerte unterliegen ebenfalls den Symmetrien, die die dynamische Algebra widerspiegelt. Bei näherer Betrachtung befinden sich alle Trajektorien der Ensemblemittelwerte auf einer Mannigfaltigkeit, die durch den sogenannten Casimir Companion beschrieben wird. Darüber hinaus wird nicht-hamiltonsche/dissipative Dynamik betrachtet, welche zu einer Deformation der Mannigfaltigkeit führt. Abschließend wird eine Zusammenfassung der grundlegenden Methodik zur Modellierung irreversibler Prozesse mittels hamiltonscher Systeme mit dynamischer Algebra gegeben. Zum besseren Verständnis wird ein ausführliches Anwendungsbeispiel dieser Methodik präsentiert, in dem die zeitoptimale Steuerung eines Ensembles des harmonischen Oszillators zwischen zwei Gleichgewichtszuständen sowie zwischen Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtszuständen abgeleitet wird.