Einfluss akustischer Phononen auf die Exziton-Biexziton-Dynamik in Quantenpunkten und Quantenpunkt-Mikroresonator Systemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zentrale Ziele des Projekts wurden erreicht, wenngleich die ursprünglich geplante Methode der Einzelquantenpunkt-Photostromspektroskopie nicht in dem vorgesehenen Umfang eingesetzt werden konnte. Als attraktive Alternative wurde die resonante Anregung mit optischer Detektion der Quantenpunktbesetzung gewählt. In Kooperation mit dem Bayreuther Projektpartner konnten unter anderem wichtige Ergebnisse in Hinblick auf phononeninduzierte Effekte im cQED Regime der Licht-Materie gewonnen werden. Die experimentellen Studien gingen aus quantenoptischer Sicht deutlich über die ursprüngliche Planung hinaus und schließen die Untersuchung positionierter Quantenpunkte sowie Untersuchungen zur Anregungsstatistik und zu der Wigner-Zeitverzögerung mit ein. Im Einzelnen stellen sich die Ergebnisse wie folgt dar: Einzelquantenpunkt-Photostromspektroskopie wurde in elektrisch kontaktierten Quantenpunkt-Mikrosäulenresonatoren durchgeführt. Es zeigte sich eine starke asymmetrisch verbreiterte exzitonische Linienform und ein Hystereseverhalten, welche auf die Ausbildung eines Lochgases in unmittelbarer Nähe der Quantenpunktschicht zurückgeführt werden. - Positionierte Quantenpunkte wurden mittels strikt resonanter Anregung untersucht. In den entsprechenden Resonanz-Fluoreszenz-Experimenten wurde die hohe optische Qualität der Quantenpunkte, die durch den „buried stressor“ Ansatz positioniert gewachsen wurden, verifiziert. - Der Einfluss der Emissionsstatistik der anregenden Lichtquelle wurde in Resonanz-Fluoreszenz-Experimenten an einem einzelnen Quantenpunkt untersucht. Es ergaben sich prägnante Unterschiede in den beobachteten Fluoreszenz-Spektren bei Anregung durch einen Laser und eine pseudo-thermische Anregung (mittels einer eigens entwickelten Martienssen Lampe). So kann das Mollow Triplet nur bei kohärenter Anregung durch einen Laser beobachtet werden, während beide Anregungsarten zu einer nichtklassischen Emissionsstatistik des Quantenpunkts führen. - Die Wigner-Zeitverzögerung wurde erstmals an einem festkörperbasierten Quantenemitter demonstriert. Im Heitler Regime konnte eine Verzögerung von bis zu etwa 500 ps beobachtet werden, die von der spektralen Verstimmung zwischen dem anregenden Laser und dem Quantenpunktexziton als Zweiniveausystem abhängt. Die experimentellen Beobachtungen können theoretisch unter Berücksichtigung phoneninduzierter Dekohärenz in guter Übereinstimmung mittels optischer Blochgleichungen beschrieben werden. - Die zweiphotonenresonante Anregung von Quantenpunkten konnte als sehr attraktive experimentelle Technik etabliert werden. Sie wurde zum kohärenten Treiben des Biexziton-Existon-Systems genutzt, um unter anderem die Detuningabhängigkeit der Biexzitonbesetzung zu untersuchen. Es zeigte sich eine deutliche Asymmetrie mit einer deutlich erhöhten Biexziton-Besetzung bei negativem Detuning, was in guter Übereinstimmung mit dem Experiment über die Pfadintegralmethode des Bayreuther Partners unter Berücksichtigung phononenassistierter Dekohärenzprozesse beschrieben werden konnte. - Die Temperaturabhängigkeit der kohärenten Licht-Materie-Wechselwirkung im Einzelquantenpunkt cQED-Regime wurde experimentell untersucht und theoretisch vom Bayreuther Partner in guter quantitativer Übereinstimmung mit dem Experiment beschrieben. Es zeigte sich überraschenderweise eine nahezu konstante Vakuum-Rabiaufspaltung in dem relevanten Temperaturbereich von etwa 10 – 55 K, was mit einem temperaturabhängigen Anstieg der Licht-Materie-Kopplungsstärke (und der zugrundeliegenden Oszillatorstärke des Quantenpunktes mit großer lateraler Ausdehnung) erklärt wird, die phononeninduzierte Dekohärenz weitestgehend kompensiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Compensation of phonon-induced renormalization of vacuum Rabi splitting in large quantum dots: Towards temperature-stable strong coupling in the solid state with quantum dot-micropillars, Phys. Rev. B 92, 245403 (2015)
C. Hopfmann, A. Musiał, M. Strauß, A. M. Barth, M. Glässl, A. Vagov, M. Strauß, C. Schneider, S. Höfling, M. Kamp, V. M. Axt, and S. Reitzenstein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.245403) - Photon-statistics excitation spectroscopy of a single two-level system, Phys. Rev. B 93, 241306(R) (2016)
M. Strauß, M. Placke, S. Kreinberg, S., Schneider, C., Kamp, M., Höfling, S., Wolters, J. and Reitzenstein, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.241306) - Quantum-optical spectroscopy of a two-level system using an electrically driven micropillar laser as resonant excitation source
S. Kreinberg, T. Grbesic, M. Strauß, A. Carmele, M. Emmerling, C. Schneider, S. Höfling, X. Porte, and S. Reitzenstein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41377-018-0045-6) - Resonance fluorescence of a site-controlled quantum dot realized by the buried-stressor growth technique, Appl. Phys. Lett. 110, 111101 (2017)
M. Strauß, A. Kaganskiy, R. Voigt, P. Schnauber, J.-H. Schulze, S. Rodt, A. Strittmatter, and S. Reitzenstein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4978428) - Wigner time delay induced by a single quantum dot
M. Strauß, M. Hohn, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, J. Wolters, and S. Reitzenstein
