Deutsch

Kohärente optische Manipulationen einzelner Halbleiter-Quantenpunkte gewinnen zunehmend an Bedeutung, nicht nur aus Sicht der Grundlagenforschung, sondern auch mit Blick auf mögliche Anwendungen in festkörperbasierter Quanten-Informationsverarbeitung. Als Grundlage zahlreicher Experimente dient dabei das theoretische Modell eines Zwei-Niveau-Systems, welches hier konkret durch An- bzw. Abwesenheit eines einzelnen Exzitons im Grundzustand eines InGaAs/GaAs-Quantenpunkts definiert ist. Übergänge zwischen den beiden Niveaus werden durch resonante optische Anregung induziert. Da die Quantenpunkte in eine Diodenstruktur integriert sind, kann die Detektion elektrisch über Messung des Photostroms erfolgen. Dieser Detektionsmechanismus ist nicht nur sehr empfindlich, sondern erlaubt unter gewissen Bedingungen auch eine quantitative Messung des Besetzungszustands. Darüber hinaus können die Energieniveaus des Quantenpunkts aufgrund des Stark-Effekts durch Variation einer extern angelegten Spannung sehr präzise gegenüber einer festen Laserenergie abgestimmt werden. Der Ein-Exziton-Übergang erscheint dabei im Photostrom als extrem schmale Resonanz von nur wenigen μeV Breite. Im Fall von kontinuierlicher, resonanter Anregung zeigt die Besetzungswahrscheinlichkeit des oberen Niveaus bei hohen Intensitäten ein charakteristisches Sättigungsverhalten. Als direkte Folge dieser Sättigung wird, in exakter Übereinstimmung mit der theoretischen Erwartung, eine Verbreiterung der Absorptionslinie beobachtet. Durch die vorgestellten Messungen wird einerseits die theoretische Beschreibung des Quantenpunkts als Zwei-Niveau-System experimentell bestätigt, andererseits können grundlegende Systemparameter wie Tunnelzeiten und Feinstrukturaufspaltung bestimmt werden. Zur Untersuchung kohärenter Wechselwirkungen zwischen Quantenpunkt und Lichtfeld erfolgt die Anregung mit ps-Laserpulsen, also auf Zeitskalen deutlich kürzer als die Dephasierungszeit. Das grundlegende Experiment in diesem Zusammenhang ist die Beobachtung von Rabi-Oszillationen, mit denen jeder beliebige Überlagerungszustand der beiden Niveaus gezielt eingestellt werden kann. In dieser Arbeit wurden erstmals an einem Halbleitersystem Rabi-Oszillationen mit geringer Dämpfung bis zu einer Pulsfläche von fast 9_ nachgewiesen. In Hinblick auf Quanten-Computing besonders interessant sind Quanten-Interferenzexperimente. Dabei wird zunächst durch einen ersten Puls eine Überlagerung der beiden möglichen Zustände erzeugt, deren kohärente Entwicklung dann mit Hilfe eines zweiten Pulses abgefragt werden kann. In Abhängigkeit von der Verzögerungszeit des zweiten Pulses beobachtet man einen exponentiellen Abfall der Interferenzamplitude entsprechend der Dephasierungszeit des Systems. Je nach Polarisation der Anregung ist diese exponentielle Abhängigkeit noch mit einer Schwebung aufgrund der Feinstrukturaufspaltung des Exzitons moduliert. Trotz eines Unterschieds von mindestens fünf Größenordnungen in der Anregungsleistung stimmen alle Ergebnisse aus kohärenten, gepulsten Messungen quantitativ mit den zuvor im stationären Grenzfall bestimmten Systemparametern überein. Insbesondere kann die Dephasierungszeit über die Probenspannung variiert werden und erreicht Werte bis zu einigen hundert Pikosekunden. Die phasensensitive Messung in Doppelpuls-Experimenten ist äußerst empfindlich gegenüber einer Verstimmung zwischen Laser und Quantenpunkt-Resonanz. Bei Variation der Quantenpunktenergie über den Stark-Effekt beobachtet man Ramsey-Interferenzen, deren Periode umso schmaler wird, je größer der Zeitabstand zwischen den beiden Pulsen ist, im Extremfall sogar schmaler als die natürliche Linienbreite des Übergangs. Bei Anregung mit zeitlich überlappenden Pulsen kann darüber hinaus schon eine Abweichung zwischen Quantenpunkt- und Laserenergie von nur wenigen Prozent der spektralen Breite der Anregungspulse nachgewiesen werden. Der gebundene Zustand aus zwei Exzitonen in einem Quantenpunkt (Biexziton) kann über einen resonanten, kohärenten Zwei-Photon-Prozess kontrolliert werden. Im Gegensatz zur konventionellen kohärenten Entwicklung eines Zwei-Niveau-Systems zeigt die Rabi-Oszillation des Biexzitons eine komplexere Abhängigkeit nicht nur von der Laserleistung sondern auch von der genauen Form der Pulse. Experimentelle Ergebnisse werden durch eine theoretische Rechnung gut beschrieben, welche einzig auf grundlegenden Systemparametern basiert. Die Dephasierungszeit des Biexzitons liegt im selben Bereich wie die des einzelnen Exzitons. Insgesamt bietet die Verwendung eines elektrisch kontaktierten Quantensystems nicht nur wichtige experimentelle Vorteile, sondern könnte in Zukunft auch eine Verbindung zwischen klassischer Halbleitertechnologie und neuartigen, kohärenten Bauelementen im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung darstellen.

English

Coherent optical manipulations of semiconductor quantum dots (QDs) are currently receiving a lot of attention, not only for their fundamental interest but also in view of possible applications in quantum information technology. For a large number of experiments, a QD can be described as a two level system, defined by the presence (upper state) or absence (lower state) of a single exciton. Transitions between these two levels are induced via resonant optical excitation. In the present work, the QDs are incorporated in a diode structure so that the internal electrical field of the device can be controlled via a bias voltage. This allows for very sensitive and, under certain conditions, quantitative electrical detection of the QD occupancy via the photocurrent. In addition, the QD energy levels can be varied very precisely via Stark-shift tuning. The single exciton transition is observed in the photocurrent as an extremely narrow resonance with a linewidth of only a few μeV. In the case of cw-excitation, the QD occupancy exhibits a characteristic saturation behavior at high excitation power. This saturation is accompanied by a broadening of the homogeneous linewidth in exact quantitative accordance to theoretical predictions.We thereby verify the theoretical description of the QD as a two-level system. Furthermore, important system parameters like tunneling times and an energy splitting of different polarization states are determined with high precision. For coherent investigations of the quantum dot we apply picosecond laser pulses. The optical excitation then is considerably faster than the dephasing time of the system. The fundamental experiment in this context is the observation of Rabi oscillations, demonstrating the ability to prepare arbitrary coherent superpositions of the two QD states. In the present work we present weakly damped Rabi oscillations up to pulse areas of almost 9 _, previously not attainable in semiconductor systems. Double pulse experiments are used to gain information on the phase of coherent excitations. In these experiments the time evolution of a superposition state, generated by a first pulse, is detected via the interaction with a second pulse at a well defined delay time. The amplitude of interference fringes exhibits an exponential decay which is used to infer the dephasing time of the QD system. In our device we are able to vary the tunneling rate and therefore the dephasing time via the bias voltage. Coherence times of several hundred picoseconds are reached at low bias voltage. In addition to the exponential decay, the interference amplitude is usually modulated by quantum beats originating from the asymmetry splitting of the QD. The quantum beats can be fully suppressed, though, by applying an appropriate polarization of the excitation light. All fundamental system parameters determined in cw experiments are quantitatively reproduced in the coherent (pulsed) measurements, even though the excitation power typically differs by at least five orders of magnitude. Based on quantum interference effects we are able to obtain an extremely high sensitivity on the relative detuning of the QD transition with respect to the laser energy. At excitation with double pulses, a variation of the QD resonance via the Stark effect results in Ramsey fringes. The spectral width of the fringes decreases directly proportional to the temporal pulse separation and can get even smaller than the homogeneous linewidth of the transition. In addition, under certain measurement conditions with overlapping pulses, we are able to detect deviations from exact resonance of only a few percent of the laser linewidth. Coherent control experiments on the biexciton are performed via resonant two-photon excitation. In contrast to single exciton Rabi oscillations the measured population oscillation of the biexciton is not purely sinusoidal in excitation pulse area. The experimental results are well reproduced by a theoretical calculation which relies only on the pulse shape and the biexciton binding energy. Dephasing times of the biexciton state are similar to those of the single exciton, under the applied measurement conditions reaching up to 220 ps. In conclusion, by placing an InGaAs QD in a diode structure we obtain a single quantum system with electrical contacts. Voltage-based control and electrical detection not only open up a whole range of new possibilities for quantum optical experiments but also might provide a link between classical semiconductor technology and novel, coherent devices in the field of quantum information technology.