Coherently-driven exciton polaritons and directional cQED effects in the quantum dot-micropillar system
Hopfmann, Caspar
Cavity quantum electrodynamic (cQED) systems have attracted extensive research interest in the past decades as the main driving force of quantum optics. First experimental demonstrations focused on the enhancement of spontaneous emission and optical nonlinearities related to a single quantum emitter confined in a microcavity. Major technological effort was needed to enter the strong coupling regime of single emitter cQED to study for instance the non-harmonicity of resulting Jaynes-Cummings ladder and to perform quantum non-demolition measurements at the heart of quantum optics. Corresponding milestone experiments paved the way towards the realization of a wide variety of non-classical light sources bringing the concept of photonic quantum networks to a practical level.
cQED systems can be realized using atomic, superconducting and semiconductor platforms. In view of future applications in the quantum information technology, the solid state platform of microcavities with embedded quantum emitters is the most attractive one as it promises low-cost mass production as well as interoperability with the integrated electronic circuit technology of today. Therefore, quantum dot (QD)-microcavity systems are very attractive for further investigations in this field. Indeed, even though cQED effects have been studied for many years now, there are still fundamental aspects remaining to be explored. One example is the exploration of a strongly coupled cQED system under coherent optical excitation which is one of the primary goals of this work.
The work presented in this thesis aims at a deeper understanding of cQED effects in semiconductor based implementations of this central topic of quantum optics. It includes comprehensive spatially-resolved studies of the QD-micropillar system in the both weak and strong coupling regime. For this purpose an advanced 90 degree excitation and detection scheme, suitable for efficient wavelength-independent driving of the coupled exciton (X) and cavity mode (C) system, was implemented. This flexible and powerful technique enables access to the three-dimensional emission characteristics of QD-micropillars providing important new insight into cQED effects which is the central aspect of the first part of this thesis. The performed studies show for instance a pronounced anticorrelation (correlation) of the directional emission characteristics down to the single emitter level in the weak (strong) coupling regime demonstrating directly their fundamentally different nature. Related investigations of the lasing regime present a straightforward characterization method to demonstrate lasing action in high-Beta microlasers without the need for time consuming studies employing photon statistics.
The second part of the thesis addresses another very important yet unexplored fundamental aspect of cQED. The main focus is on coherently-driven strongly-coupled QD-microcavity systems. Of particular interest is the regime where the coherent excitation dresses the X-C polariton at high excitation powers. This regime is found at the crossover from a quantum (Jaynes Cummings) to a semi-classical (Mollow Triplet-like) system and can be observed between the limiting cases of an anharmonic and a harmonic ladder solely by varying the excitation strength. An indispensable condition for the first observation of this transitory regime is driving the system through the matter (X) component, which distinguishes this work from previous studies. Counterintuitively, significant cavity losses with respect to the coupling strength are required to create the highly coherent state of the laser-dressed polariton. Moreover, this work pioneers in resonance fluorescence (RF) studies of strongly-coupled QD-microcavity systems and reveals that strong X-C coupling suppresses the RF substantially. Additionally, injection pulling of a single polariton is observed for the first time in the QD-microcavity system, which links this classical effect of injection locking, which is also found in macroscopic lasers, to the quantum regime. Complementary studies on long range off-resonant X-C coupling, mutual coupling of two QD Xs as well as temperature stability of the coherent coupling regime deepen the fundamental understanding of the strong light-matter interaction in semiconductor systems.
Kavitätsquantenelektrodynamische (cQED) Systeme sind die treibende Kraft der Quantenoptik und haben in den vergangenen Dekaden weitreichendes wissenschaftliches Interesse auf sich gezogen. Erste Experimente demonstrierten die verstärkte spontane Emission und optische Nichtlinearitäten von einem einzelnen Quantenemitter, eingebettet in einer Mikrokavität. Großer technologischer Aufwand musste betrieben werden, um das Regime der starken Kopplung eines einzelnen Emitters zu erreichen und somit, unter anderem, die anharmone Jaynes-Cummings-Leiter zu untersuchen und zerstörungsfreie Quantenmessungen durchzuführen, die den Kern der Quantenoptik ausmachen. Dazugehörige experimentelle Meilensteine haben den Weg für die Realisierung einer großen Bandbreite von nichtklassischen Lichtquellen bereitet, die die Umsetzung von photonischen Quantennetzwerken ermöglichen.
cQED Systeme können realisiert werden mithilfe von atomaren, supraleitenden oder Halbleiter basierten Quantenemittern. Mit Blick auf zukünftige Quanteninformationstechnologien sind Halbleitermikrokavitäten mit eingeschlossenen Quantenemittern eines der vielversprechensten Festkörpersysteme, da diese kostengünstige Massenfertigung als auch Kompatibilität zur derzeitigen Mikroelektronik versprechen. Daher sind Quantenpunkt (QD)-Mikrokavitäten sehr attraktive Kandidaten für weiterführende Untersuchungen in diesem Teil der Quantenphysik. Auch wenn cQED Effekte nun seit vielen Jahren untersucht werden, so gilt es doch noch einige fundamentale Aspekte zu beleuchten. Ein Beispiel ist die Untersuchung eines stark gekoppelten cQED Systems mithilfe kohärenter Anregung, was auch eines der primären Ziele dieser Arbeit ist.
Der Inhalt dieser Arbeit zielt auf die Vertiefung des Verständnisses von cQED Effekten in Halbleiter basierten Implementationen dieses zentralen Teils der Quantenoptik ab. Sie beinhaltet umfassende ortsaufgelöste Studien von QD-Mikrosäulenresonatoren sowohl in dem Regime der schwachen als auch der starken Kopplung. Zu diesem Zweck wurde ein einmaliges 90 degree Anregungs- und Detektionsschema, welches sowohl für kohärente als auch inkohärente Anregung von gekoppelten Exzitonen (X) und Kavitätsmoden (C) geeignet ist, implementiert. Diese flexible und mächtige Methode ermöglicht Zugang zu den dreidimensionalen Emissionscharakteristiken von QD-Mikrosäulenresonatoren, was auch zu wichtigen neuen Erkenntnissen über cQED Effekten führt. Dies ist das zentrale Thema des ersten Abschnitts dieser Dissertation. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen zum Beispiel eine deutliche Antikorrelation (Korrelation) der direktionalen Emissionscharakteristiken bis hinunter zu einzelnen Emittern im Regime der schwachen (starken) Licht-Materie-Wechselwirkung, womit auch die unterschiedliche Natur dieser Kopplungsregime verdeutlicht wird. Verwandte Untersuchungen des Laserregimes führten zu einer stark vereinfachten Charakterisierungsmethode von Mikrolasern mit hohem Beta-Faktor ohne die sonst üblichen zeitaufwendigen Studien der Photonenstatistik.
Der zweite Teil dieser Dissertation adressiert einen weiteren sehr wichtigen, bisher unerforschten, fundamentalen Aspekt der cQED. Der hauptsächliche Fokus liegt dabei auf kohärent-getriebenen stark gekoppelten QD-Mikrosäulenresonatoren. Von großem Interesse ist das Regime, in dem die starke kohärente Anregung das X-C Polariton bekleidet. Dieses Regime findet sich an dem Übergang von einem Quantensystem (Jaynes Cummings) zu einem klassischen (Mollow Triplet förmigen) System und kann zwischen den Grenzfällen der anharmonischen und harmonischen Zustandsleiter nur durch Variation der Anregungsstärke beobachtet werden. Die zwingende Voraussetzung für die Beobachtbarkeit des Übergangs ist, dass die Anregung durch die Materiekomponente des Systems erfolgt. Dies unterscheidet diese Arbeit von vorangegangen Studien. Unerwarteterweise sind auch signifikante Kavitätsverluste eine unabdingbare Voraussetzung für die Beobachtung des hochgradig kohärenten Zustandes des bekleideten Polaritons. Des Weiteren ist diese Arbeit ein Vorreiter in der Untersuchung von stark gekoppelten Systemen mithilfe von Resonanzfluoreszenz (RF) und beschreibt, dass die starke X-C Kopplung das RF Signal deutlich unterdrückt. Ferner wurde die Verzerrung des Polaritons durch Injektion von Licht zum ersten Mal für QD-Mikrokavitäten beschrieben. Dies verbindet den klassischen Effekt der Injektionskopplung, den man unter anderem in makroskopischen Lasern findet, mit dem Quantenregime. Ergänzende Untersuchungen zu langreichweitigen nicht-resonanten Kopplungsmechanismen, der gemeinsamen Kopplung von zwei QD X als auch der temperaturstabilen kohärenten Kopplung vertiefen das grundlegende Verständnis der starken Wechselwirkung von Licht und Materie in Halbleitersystemen.
