Coherence properties of single self-assembled quantum dots
Creators: name: Flissikowski, Timur
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2005
Subjects: subject: Quantenpunkte
subject: Kohärenzeigenschaften
subject: Spinrelaxation
subject: II-VI Halbleiter
subject: quantum dots
subject: coherence properties
subject: spin relaxation
subject: II-VI semiconductor
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie

description: Halbleiter Quantenpunkte (QP) standen in den letzten Jahren im Mittelpunkt vieler Forschungsaktivitäten im Bezug auf mögliche Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung. Durch das dreidimensional Confinement sind nur diskrete, energetisch stark separierte Zustände in einem QP möglich. Damit sind phasenzerstörende Streuprozesse unwahrscheinlicher und man kann Dekohärenzzeiten erwarten, die nur durch die Lebensdauer der Zustände limitiert sind. Materialbasis dieser Arbeit sind CdSe QP in einer ZnSe Barriere. In dieser Arbeit werden zwei Arten von Kohärenzphenomänen, die das zeitliche Verhalten solcher Quantensysteme beschreiben, mittels optischer Methoden untersucht. Im Falle optischer Kohärenz wechselwirkt ein angeregter Zustand, der strahlend mit einem Grundzustand verbunden ist, mit einem externen elektro-magnetischen Feld. Mittels phasensynchronisierter kohärenter Kontrolle werden biexzitonische und auch erste angeregte Zustände in einzelnen QP untersucht. Im Fall des angeregten Zustandes findet man optische Dephasierungszeiten unterhalb von 10 ps. Für das Biexziton kann nur eine untere Grenze bestimmt werden, die auf einer 10 ps Zeitskala liegt. Das zweite Phenomän ist die Quantenkohärenz (QK), die das Phasengedächtnis zweier Zustände im selben QP vergleicht. In dieser Arbeit wird die QK durch die Analyse von Quantenschwebungen in der Emission des Grundzustandsexzitons in einem einzelnen QP untersucht. Es wurde gefunden, dass es keine messbare Dekohärenz der beiden Unterzustände des Grundzustandsexzitons im Rahmen der strahlenden Lebensdauer von circa 300 ps gibt. Die dritte Gruppe von Experimenten beschäftigt sich mit der longitudinalen Spinrelaxationszeit einzelner Ladungsträger. Die verwendeten Proben ermöglichen den direkten Zugang zur Spindynamik einzelner Löcher. Die Experimente in der Spektral- als auch in der Zeitdomäne lieferten Spinrelaxationszeiten für Löcher von knapp 10 ns.
description: Semiconductor quantum dots (QD) have attracted considerable interest during the past years as possible candidates for quantum information processing. Due to the confinement potential in such structures, the density of states in a single QD is discrete. If the states are well separated in energy the coupling to the environment is expected to be smaller, implying that coherence is maintained during the exciton lifetime. In the present work CdSe in ZnSe QDs are used. Two kinds of coherence phenomena, reflecting the time evolution of such a quantum system, are studied by use of optical methods. In case of optical coherence, an excited state which is radiatively coupled to a ground state interacts with an external electro-magnetic field. The experimental technique of temporal coherent control is applied via a two photon process on the biexciton state and also by a single photon process on the excited state in a single QD. As a result optical coherence times below 10 ps are found for the excited state, while for the biexciton only a lower limit on a 10 ps timescale was elaborated. The second phenomena is quantum coherence and describes the phase memory between two states in the same QD. It is studied in this work by the analysis of the observed quantum beats in the time resolved photoluminescence emission (PL) of the ground state exciton in a single QD. As a result it was found that there is no measurable decoherence between the two substates of the ground state exciton during the exciton lifetime of about 300 ps. In a third group of experiments the longitudinal spin relaxation time is investigated on a single carrier level. The used QD sample contains charged QDs with resident electrons, which provide direct access to the separate spin dynamic of the holes. Different experiments carried out, yielding a longitudinal spin relaxation time for a single hole on a 10 ns timescale.