Photon statistics in semiconductor nanostructures
Final Report Abstract
Zu Beginn des Projekts gab es in der Literatur keine Veröffentlichungen zur Beobachtung von Resonanzfluoreszenz an einzelnen Quantenpunkten und dem damit im Spektrum zu erwartenden Mollow-Triplett. Im Verlauf des Projekts konnte die Resonanzfluoreszenz an einzelnen Quantenpunkten in Mikroresonatoren systematisch in Abhängigkeit von der Pumpleistung und der Verstimmung des anregenden Lasers gegenüber der exzitonischen Resonanz studiert werden. Die Untersuchungen ergaben, dass man mit Hilfe von strikter resonanter Anregung eines Exzitons in einem Quantenpunkt bei tiefer Temperatur (T = 10 K) nahezu ideale Einzelphotonenemission erzeugen kann. Die durch die anschließende strahlende Rekombination erzeugten Photonen waren nahe am Fourier-Limit (T2/2T1 = 0.91), und dies obwohl die Pumpleistung ca. 80% der Sättigungspumpleistung betrug. Ein polarisationsaufgelöstes Zwei-Photonen Interferenzexperiment (Hong-Ou-Mandel- Experiment) ergab einen Sichtbarkeitskontrast von 90 %. Dies zeigt, dass mit dieser Anregungsmethode nahezu ununterscheidbare Photonen erzeugt werden können. Dies wiederum ist Voraussetzung für viele Anwendungen in den Quanteninformationswissenschaften. Messungen bei sehr hohen Pumpleistungen (Ω > 3 GHz) ergaben, dass die Linienbreiten der Seitenbanden des Mollow-Tripletts mit der Anregungsleistung zunehmen. Dies deutet auf anregungsbedingte Dephasierungsprozesse hin. Im zweiten Teil des Arbeitsprogramms wurde die nichtresonante Kopplung zwischen Quantenemittern und Resonator untersucht. Nach bisheriger Vorstellung konnte es zu einer Wechselwirkung von Quantenemitter und Resonator nur dann kommen, wenn die Photonenenergie des Emitters und eine Schwingungsmode des Resonatorfeldes präzise übereinstimmen. Mit temperaturabhängigen Untersuchungen konnten wir zeigen, dass die Kopplung auch bei rein resonanter Anregung sowohl für positive als auch negative Verstimmung zwischen Emitter und Mode in Halbleiter-Nanostrukturen stattfindet. Ein wesentlicher treibender Prozess der nicht-resonanten Kopplung scheint der Effekt der so genannten reinen Dephasierung (d.h. des Kohärenzverlustes des Systems ohne Aussendung eines Photons) speziell über Wechselwirkung mit quantisierten Gitterschwingungen (Phononen) zu sein. Darüber hinaus kann die nicht-resonante Kopplung in der Forschung in neuartiger und sehr gezielter Weise angewendet werden. So zeigen zahlreiche Emissionsmessungen an resonant angeregten Einzel-Quantenpunkten, dass der Emissionskanal der gekoppelten und verstimmten Mode auch als direkter „Monitor“ der Emissionscharakteristika des Quantenpunktes dienen kann. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise elektronische Feinstrukturen, die Absorptionssättigung und Resonanzverbreiterung des Grundzustandes oder auch die untergrundfreie Messung der Photonenstatistik in Emission beobachten.
Publications
- Non-resonant dot-cavity coupling and its potential for resonant quantum dot spectroscopy. Nature Photonics 3, 724 (2009)
S. Ates, S. M. Ulrich, A. Ulhaq, S. Reitzenstein, A. Löffler, S. Höfling, A. Forchel, and P. Michler
- Post-selected indistinguishable photons from the resonance fluorescence of a single quantum dot in a microcavity. Phys. Rev. Lett. 103, 167402 (2009)
S. Ates, S. M. Ulrich, S. Reitzenstein, A. Löffler, A. Forchel, and P. Michler
