Control of non-classical light states by linear and non-linear interaction in hybrid systems of single semiconductor quantum dots and alkali atomic vapor
Final Report Abstract
Im Verlauf des Projekts wurde die Wechselwirkung von Photonen, die von einzelnen Quantenpunkten emittiert wurden, mit einem warmen atomaren Gas (Cäsium) im Detail untersucht. Die Voraussetzung hierfür war die Herstellung von schmalbandigen Einzel-Photonenzuständen mittels der Resonanzfluoreszenz von einzelnen InGaAs/GaAs Quantenpunkten. Die Wellenlänge der Einzelphotonenzustände konnte extern durch Anlegen eines Spannungsfeldes an den Quantenpunkt kontrolliert werden, und wurde für die verschiedenen Experimente spektral nahe zur Cs-D11-Linie abgestimmt. In einem ersten Schritt wurde auf der Basis einer Cs-Dampfzelle ein sogenannter Faraday Anomalous Dispersion Optical Filter (FADOF-Filter) aufgebaut. Der FADOF-Filter benutzt den Faraday Effekt um schmalbandiges Licht nahe atomarer Spektrallinien zu filtern. So gelang es uns die mit Hilfe eines Cs- FADOF die beiden spektral schmalen Seitenbanden (GHz) des Mollow-Tripletts der Resonanzfluoreszenz eines InGaAs/GaAs Quantenpunktes zu filtern. In einer weitergehenden Studie konnten wir zeigen, das Quantenpunkt-Photonen bis zu einem Faktor 50 ihrer ursprünglichen zeitlichen Breite mit Hilfe des atomaren Dampfes verzögert werden können, dies entsprach einer Verzögerung von ca. 30 ns. Dabei behalten die Photonen auch nach der Wechselwirkung mit dem Dampf vollständig ihren Einzelphotonencharakter. Zeitaufgelöste Messungen zeigten mit zunehmender zeitlicher Verzögerung der Photonen eine Pulsverzerrung, die in der Folge bei der Zwei-Photoneninterferenz zwischen verzögerten und nicht-verzögerten Photonen zur einer Reduktion der Sichtbarkeit (Visibility) in der Zwei-Photoneninterferenz führt. Weiterhin wurde der Einfluss eines externen magnetischen Feldes auf die Abstimmbarkeit der zeitlichen Verzögerung untersucht. Hier konnten wir zeigen, dass die Photonen in Abhängigkeit ihrer Polarisation unterschiedlich zeitlich verzögert werden. Dies kann zur Feinabstimmung der zeitlichen Verzögerung verwendet werden. In einem weiteren Schritt wurden verschiedene Voruntersuchungen zur Photonenspeicherung durchgeführt. Hierzu wurden verschiedene Szenarien auf der Basis von 3-Niveau-Schemata sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Dabei zeigte sich, dass die verfügbare Laserleistung für eine erfolgreiche Durchführung der Experimente zu gering war, und es auch vorteilhaft wäre von einem 3-Niveau auf ein 5-Niveau-Schema bei der Speicherung überzugehen. Zusätzlich konnten wir im Rahmen des Projekts nachweisen, dass man mit Hilfe einer detaillierten Analyse der Photonen, die durch den atomaren Dampf propagiert sind, Aussagen zur spektralen Diffusion des Quantenpunktes machen kann. Mit Hilfe der von uns neu entwickelten sogenannten „slow-light photon-correlation spectroscopy“ konnten wir die verschiedenen zeitabhängigen spektralen Diffusionsprozesse der untersuchten Quantenpunkte aufklären.
Publications
- „Simultaneous Faraday filtering of the Mollow triplet sidebands with the Cs- D1 clock transition”, Nature Communications 7, 13632 (2016)
S. L. Portalupi, M. Widmann, C. Nawrath, M. Jetter, P. Michler, J. Wrachtrup and I. Gerhardt
(See online at https://doi.org/10.1038/ncomms13632) - „Two-photon interfernce in an atom-quantum dot hybrid system”, Optica 5, 2334 (2018)
H. Vural, S. L. Portalupi, J. Maisch, S. Kern, J. H. Weber, M. Jetter, J. Wrachtrup, R. Löw, I. Gerhardt, and P. Michler
(See online at https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.000367) - „Controllable Delay and Polarization Routing of Single Photons“, Adv. Quantum Technol. 1900057 (2019)
J. Maisch, H. Vural, M. Jetter, P. Michler, I. Gerhardt and S. L. Portalupi
(See online at https://doi.org/10.1002/qute.201900057) - “Characterization of specral diffusion by slow-light photon-correlation spectroscopy”, Phys. Rev. B 101, 161401(R) (2020)
H. Vural, J. Maisch, I. Gerhardt, M. Jetter, S. L. Portalupi, and P. Michler
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.161401)
