Coherent optoelectronic control of single excitons [Elektronische Ressource] / von Steffen J. Michaelis de Vasconcellos

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Fakultät für Naturwissenschaften - Department PhysikCoherent OptoelectronicControl of Single Excitons Dem Department Physik der Universität Paderborn zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften vorgelegte Dissertationvon Dipl.-Phys. Steffen J. Michaelis de VasconcellosPaderborn, 2009PromotionskommissionProf.Dr.TorstenMeier(Vorsitzender)Prof.Dr.ArturZrenner( .Gutachter)Prof.Dr.CedrikMeier( .Gutachter)Dr.ChristofHoentzschTag der Einreichung: 18. November 2009Tag der mündlichen Prüfung: 16. Dezember 2009ZusammenfassungDiekohärenteZustandsmanipulationeineseinzelnenQuantensystemsisteinefundamentaleBedingungfürdieHerstellungvonGerätenzurQuanteninformationsverarbeitung.IndenletztenJahrenwurdendafürvieleverschiedeneQubitImplementierungenvorgeschlagenundderengrundlegendekohärenteKontrollekonntedemonstriertwerden.InBezugaufdieWechselwirkungmitPhotonenistdasExziton-QubitvonbesonderemInteressefürAnwen-dungenimBereichderkohärentenOptoelektronik.BisherwurdediekohärenteKontrollediesesQubitSystemsimWesentlichenmitultraschnellenLaserpulsenrealisiert.InsbesondereEinzel-QuantenpunktPhotodiodenwurdendabeifüreineReihekohärenterExperimenteverwendet,zumBeispielzurUntersuchungvonRabi-OszillationenundRamsey-Fringes,sowiederDemonstrationeinerh§?–QuantengatterFunktionalität.IndieserArbeitwirdeinneuesSchemazurkohärentenoptoelektronischenManipulationeinesExziton-Qubitsentwickelt.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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Source : D-NB.INFO/1000440656/34
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Fakultät für Naturwissenschaften - Department Physik
Coherent Optoelectronic
Control of Single Excitons


Dem Department Physik der Universität Paderborn zur Erlangung des
akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften vorgelegte

Dissertation
von Dipl.-Phys. Steffen J. Michaelis de Vasconcellos
Paderborn, 2009Promotionskommission
Prof.Dr.TorstenMeier(Vorsitzender)
Prof.Dr.ArturZrenner( .Gutachter)
Prof.Dr.CedrikMeier( .Gutachter)
Dr.ChristofHoentzsch
Tag der Einreichung: 18. November 2009
Tag der mündlichen Prüfung: 16. Dezember 2009Zusammenfassung
DiekohärenteZustandsmanipulationeineseinzelnenQuantensystemsisteinefundamentale
BedingungfürdieHerstellungvonGerätenzurQuanteninformationsverarbeitung.Inden
letztenJahrenwurdendafürvieleverschiedeneQubitImplementierungenvorgeschlagen
undderengrundlegendekohärenteKontrollekonntedemonstriertwerden.InBezugaufdie
WechselwirkungmitPhotonenistdasExziton-QubitvonbesonderemInteressefürAnwen-
dungenimBereichderkohärentenOptoelektronik.BisherwurdediekohärenteKontrolle
diesesQubitSystemsimWesentlichenmitultraschnellenLaserpulsenrealisiert.Insbesondere
Einzel-QuantenpunktPhotodiodenwurdendabeifüreineReihekohärenterExperimente
verwendet,zumBeispielzurUntersuchungvonRabi-OszillationenundRamsey-Fringes,
sowiederDemonstrationeinerh§?–QuantengatterFunktionalität.
IndieserArbeitwirdeinneuesSchemazurkohärentenoptoelektronischenManipulation
einesExziton-Qubitsentwickelt.DiesesSchemaverwendeteinenoptischesTaktundeindazu
synchrones,elektrischesSignal,dasdiekohärenteManipulationsteuert.Dieexperimentel-
leRealisierungkombiniertdabeimodernePikosekunden-Lasertechnikenmitsynchroner
elektrischerOperationimkohärentenRegime.DieExperimentewerdenaneinemeinzelnen
ExzitonineinemInGaAs-QuantenpunktineinerGaAs-Photodiodedurchgeführt.
ZurBestätigungderexperimentellenDatenwurdeeindetailliertestheoretischesModell
entwickelt.DieseModellbasiertaufdenoptischenBlochgleichungenundbeinhalteteinen
-StufenRelaxationsmechanismus,dercharakteristischistf ürdenTunnelprozessdesExzitons
auseinemQuantenpunktineinerPhotodiode.ZurÜberprüfungdesModellswurdendie
SimulationsergebnissemitdenDatenvonfrüherentwickeltenExperimentenverglichen.Das
vorgestellteModellerlaubtdabeieinetiefergehendeAnalysederfrüherenErgebnisseals
esbishermöglichwar.DesweiterenwirdimRahmendesModellsdieleistungsabhängige
DämpfungderRabi-OszillationenbeitiefenTemperaturenuntersucht.
IndieserArbeitwerdenaußerdemnochCdSe/ZnSeQuantenpunktphotodiodeneingeführt.
DiesesMaterialsystembesitzteinhöheresEinschlusspotenzialfürdasExzitonundgrößere
CoulombkorrelationsenergienalsdasInGaAs/GaAsSystemundistdahereinKandidatfür
kohärenteManipulationenbeierhöhtenTemperaturen.DieErgebnissederspannungsabhän-
gigenPhotolumineszenzdeutenan,dassesmöglichistCdSe/ZnSePhotodiodenherzustellen
mitdenenweiterekohärenteExperimentedurchgeführtwerdenkönnen.Abstract
ecoherentstatemanipulationofsinglequantumsystemsisafundamentalrequirement
fortheimplementationofquantuminformationdevices.Inthepast,manydi erentqubit
implementationshavebeenproposed,andbasiccoherentcontrolhasbeendemonstrated.
Concerningtheinteractionwithphotons,excitonqubitsareofparticularinterestforcoherent
optoelectronicapplications.Untilnow,coherentmanipulationsofexcitonqubitsinsemi-
conductorquantumdotshavebeenperformedmostlybyultrafastlaserpulses.Inparticular,
singlequantumdotphotodiodeshavebeenusedforavarietyofcoherentexperiments,for
exampleRabi-oscillations,Ramseyfringes,andh§?–quantumgateoperation.
Inthiswork,anewschemeforthecoherentoptoelectronicmanipulationofanexciton
qubitsisdeveloped.eschemeemploysanopticalclocksignalandasynchronouselectric
gatesignal,whichcontrolsthecoherentmanipulation.eexperimentalrealizationcombines
stateoftheartpicosecondlasertechniqueswithsynchronouselectricoperationinthecoherent
regime.eexperimentsareperformedusingasingleexciton,con nedinaInGaAsQDina
GaAsphotodiode.
Toverifytheexperimentaldata,adetailedtheoreticalmodelisdeveloped.emodelis
basedontheopticalBlochequationsandincludesatwo-steprelaxationmechanism,whichis
characteristicforthetunnelingofthequantumdotexcitoninaphotodiode.Tocon rmthe
model,resultsfrompreviouslydevelopedexperimentsarecomparedtothemodel.ereby,
themodelallowsamoredetailedanalysisofthepreviousresults.Inparticular,theevaluation
oftheheavy-holetunnelingtimefromthecwsaturationspectroscopyisnowmorereliable.
Furthermore,detailedanalysisoftheexcitationdependentdampingoftheRabi-oscillations
atlowtemperatureisgiveninthecontextofthetheoreticalmodel.
Inthisthesis,alsoCdSe/ZnSeQDphotodiodesareintroduced. ismaterialsystem
provideshighercon nementandCoulombcorrelationenergiesthantheInGaAs/GaAssystem
andthereforeisacandidateforcoherentoperationatelevatedtemperatures.eresultsofthe
voltagedependentphotoluminescencemeasurementsindicate,thatitispossibletoprovide
workingCdSe/ZnSeQDphotodiodesforfuturecoherentphotocurrentexperiments.Contents
1 Introduction 5
2 Fundamental Remarks on Quantum Dots 9
2.1 Self-AssembledQuantumDots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1 Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 EnergyStatesofSelf-AssembledQuantumDots . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 ExcitonsinSelf-AssembledQuantumDots. . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 QuantumDotSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 PhotoluminescenceandElectroluminescence . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 AbsorptionTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 PhotocurrentSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 SingleQuantumDotPhotodiodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 SampleStructureandElectricField . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3 QuantumCon nedStarkE ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.4 VoltageDependentPhotoluminescenceandChargingE ects . . . . 19
2.3.5 HighResolutionPhotocurrentSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.6 ElectricallyConnectedQuantumSystem . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Introduction into Quantum Information 23
3.1 HistoricalOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Qubits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 SingleQubitGates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4 TwoQubitGates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5 QuantumAlgorithmsandApplications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5.1 QuantumAlgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5.2 QuantumKeyDistributionandQuantumRepeater. . . . . . . . . . 29
4 Experimental Setup and Techniques 31
4.1 LowTemperatureMicroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 PhotoluminescenceSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2.1 Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2.2 Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3 PhotocurrentSpectroscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3.1 ExcitationandPulsePreparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
?Contents
4.3.2 CurrentMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.4 PhotonCorrelationMeasurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.5 CoherentElectricControlExperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.6 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.6.1 InGaAsQuantumDotPhotodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.6.2 CdSeQuantumDotPhotodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5 Voltage Dependent Photoluminescence of CdSe Quantum Dots 45
5.1 EnsemblePhotoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2 SpectralJitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3 SingleQDPhotoluminescence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.1 VoltageDependentPL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.2 StarkE ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4 PhotonCorrelationMeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.5 TowardsPhotocurrentMeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6 The QD Exciton Two-Level System 51
6.1 BasiceoryofTwo-LevelSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.1.1 RepresentationofaTwo-LevelSystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.1.2 InteractionwiththeLightField . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1.3 SolvingtheLiouville-vonNeumannEquation . . . . . . . . . . . . . 54
6.1.4 PhenomenologicalDephasingduetoRecombination. . . . . . . . . 55
6.2 RabiOscillationsandQuantumInterference. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3 ExcitonTLSwithElectricalAccess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.3.1 TunnelingDecay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.3.2 CalculatingthePhotocurrent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.4 Summary–ACompleteSetofEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7 Quantum Optical Properties of a Single QD Exciton 65
7.1 OpticalPropertiesUnderContinuousExcitation . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.2 RabiOscillationsandExcitationDependentDamping . . . . . . . . . . . . . 68
7.3 Double-PulseExperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3.1 InversionRecovery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3.2 QuantumInterference. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.3.3 In uenceofDetuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8 Coherent Optoelectronic Control 75
8.1 RamseyInterference:StaticPhaseShi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.2 CoherentElectricPhaseManipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.3 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.3.1 SinglePulseExperiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
?Contents
8.3.2 RFSignalExperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.4 GeneralizationoftheScheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.4.1 UniversalSingleQubitControl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.4.2 ScalingtheApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9 Conclusion and Outlook 87
Symbols and Abbreviations 89
Bibliography 91
List of Publications 101
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