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Coherent spectroscopy of InGaAs quantum dots
Strauß, Stefan Maximilian
Excitons in quantum dots represent a remarkably good two-level system with a large optical dipole transition moment. Although most research currently focuses on enhancing their already outstanding properties as single photon emitters they become also increasingly interesting for experimental fundamental research due to their large dipole transition moment. This thesis presents studies which explore fundamental phenomena in quantum dots using coherent spectrocopy methods.
First, we will first examine the optical properties of site-controlled quantum dots which were grown using a buried stressor via resonance fluorescence. Subsequently, we will show results that were obtained using photocurrent spectroscopy to study single quantum dots that are embedded in micropillar resonators.
This is followed by a study of the Wigner time delay induced by a single quantum dot and which shows that the maximum delay is larger than its dephasing time T2 which is the theoretical limit for coherently scattered fraction. The next section demonstrates that the response of a resonantly driven two-level system which in our case is represented by an exciton in a seminconductor quantum dot depends significantly on the photon statistics of the exciting light field. Most strikingly, the Mollow triplet which we observe under coherent excitation vanishes under thermal excitation.
The second part presents results concerned with the resonantly driven biexciton cascade via two- photon excitation. The coherent interaction between light field and excitons gives rise to a complex five-level system. Here, we show for the first time two-photon Rabi oscillations in the temporal domain. Furthermore, we examine the correlations between the different transitions. The measurements show that we can manipulate the time-ordering of the emitted photons by changing for example the laser power.
All these studies share the resonant excitation scheme which allows for a coherent manipulation of the states of the quantum dot and grants access to phenomena typical for resonance fluorescence such as the Mollow triplet and Rabi oscillations. In particular the experiments on photon excitation spectroscopy and the studies on the dressed biexciton cascade show that fundamental effects of quantum optics can be explored in a scalable and application oriented setting using quantum dots.
Exzitonen in Halbleiterquantenpunkten stellen außergewöhnlich gute Zweiniveausysteme mit einem großen optischen Übergangsdipolmoment dar. Obgleich ihr Hauptpotential sicherlich in der Funktion als Einzelphotonenquelle zu sehen ist, werden sie insbesondere wegen ihres großen optischen Über- gangdipolmoments auch zunehmend interessant für die experimentelle Grundlagenforschung. Die vorliegende Arbeit präsentiert Studien, die mittels kohärenter Spektroskopiemethoden grundlegende Phänomene in Quantenpunkten erforschen.
Im ersten Ergebnisteil werden zunächst die optischen Eigenschaften von vorpositionierten Quanten- punkten untersucht, die mittels vergrabener Stressoren gewachsen wurden. Abgeschlossen wird dieser Teil durch resonante Photostromspektroskopie an Quantenpunkten, die in elektrisch kontaktierten Mikrosäulenresonatoren eingebettet sind.
Der zweite Teil beginnt mit der Untersuchung der durch einen einzelnen Quantenpunkt induzierten Wigner- Zeitverzögerung, und wir zeigen, dass diese länger ist als seine Dekohärenzzeit T2, welche das theoretische Limit für den kohärent gestreuten Anteil darstellt. Anschließend zeigen wir, dass die Photonenstatistik des anregenden Lichtfelds maßgeblich die Antwort eines resonant getriebenen Zweiniveausystems, in unserem Fall ein Exziton in einem Halbleiterquantenpunkt, bestimmt. Augenfällig ist ist hierbei zum Beispiel, dass das Mollow-Triplett, welches wir unter kohärenter Anregung beobachten, unter thermischer Anregung verschwindet.
Der dritte Teil widmet sich dann der Erforschung der resonant getriebenen Biexzitonenkaskade mittels Zweiphotonenanregung. Durch die kohärente Wechselwirkung zwischen Lichtfeld und Exzitonen ergibt sich ein komplexes Fünfniveausystem. Erstmals zeigen wir hier optische Zweiphotonen- Rabioszillationen in der Zeitdomäne. Darüber hinaus untersuchen wir die Korrelationen zwischen den unterschiedlichen Übergängen und zeigen, dass man die Zeitordnung der emittierten Photonen zum Beispiel durch die Leistung des eingestrahlten Lasers manipulieren kann.
All diesen Untersuchungen gemeinsam ist die resonante Anregung, die eine kohärente Manipulation der Quantenpunktzustände ermöglicht und somit typische Phänomene der Resonanzfluoreszenz wie Rabioszillationen und das Mollow-Triplett zugänglich macht. Des Weiteren stellen namentlich die Untersuchungen zur Photonenstatistikanregungsspektroskopie und die Versuche an der bekleideten Biexzitonenkaskade unter Beweis, dass grundlegende Effekte der Quantenoptik mit Hilfe von Quantenpunkten in einem skalierbaren und anwendungsnahen Umfeld erforscht werden können.
