Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 2002
Programm und Abstracts der Sitzung HL 15

Biexcitons in Coupled Quantum Dots as a Source for Entangled Photons

•Oliver Gywat, Guido Burkard und Daniel Loss
Departement für Physik und Astronomie, Universität Basel, Klingelbergstrasse 82, CH-4056 Basel, Schweiz

We study biexcitonic states in two tunnel-coupled semiconductor quantum dots and show that they provide a source for entangled photons which are spatially separated at production. We distinguish between the various spin configurations and calculate the low-energy biexciton spectrum using the Heitler-London approximation as a function of magnetic and electric fields. We calculate the oscillator strengths for the biexciton recombination involving the sequential emission of two photons with entangled polarizations corresponding to the spin configuration in the biexciton states. We also show that the structure under study could provide a source for spin-entangled electrons.

Räumliche Autokorrelationsanalyse von Nanophotolumineszenzlandkarten

•U. Neuberth¹, M. Deubel¹, G. von Freymann¹, M. Wegener¹, G. Khitrova² und H. M. Gibbs^2
1Institut für Angewandte Physik, Universität Karlsruhe (TH), 76128 Karlsruhe
²Optical Sciences Center, University of Arizona, Tucson, AZ 85721, U.S.A.

Spektral integrierte Photolumineszenzlandkarten einzelner 5 nm dicker, ungeordneter GaAs-Quantenfilme, aufgenommen mit einem optischen Tieftemperatur-Raster-Nahfeld-Mikroskop, zeigen gewöhnlich eine Reihe von zunächst zufällig verteilt erscheinenden hellen Flecken. Um festzustellen, ob diese hellen Flecken wirklich zufällig verteilt sind, wird zunächst der Mittelwert der Intensität abgezogen und dann die zweidimensionale räumliche Autokorrelation berechnet. Diese wird über eine statistisch relevante Anzahl und, der Übersichtlichkeit wegen, azimuthal gemittelt. Die erhaltene Kurve áC(Dr)ñ_j zeigt neben der Halbwertsbreite, die in etwa der räumlichen Auflösung entspricht, ein Minimum um Dr = 0.6 mm. Das bedeutet, dass es weniger wahrscheinlich ist, in einer gewissen Umgebung eines hellen Flecks einen weiteren zu finden als weiter entfernt: ``Die hellen Flecken stoß en sich gegenseitig ab''.

Die Ergebnisse werden mit Computersimulationen verglichen, denen ein einfaches Transportmodell mit Relaxation in Potentialminima, bzw. unkorreliert verteilte Lumineszenz zugrundeliegen. Im ersten Fall erhalten wir Transportlängen vergleichbar mit den Ergebnissen anderer Techniken (0.5 mm in [1]), im zweiten einen einfachen Abfall auf Null.

[1] Qiang Wu et al., PRL 83, 2652 (1999)

Photolumineszenz einzelner InGaAs-Quantenpunkte bei variierender Anregungsintensität

•K. Hodeck, I. Manke, M. Geller, R. Heitz, A. Schliwa und M. Dähne
Technische Universität Berlin, Institut für Festkörperphysik, Hardenbergstr. 36, 10623 Berlin

In früheren spektroskopischen Untersuchungen einzelner In_0,4Ga_0,6As-Quantenpunkte mittels Optischer Rasternahfeld-Mikroskopie (SNOM) wurde bei Raumtemperatur mit steigender Anregungsintensität eine Linienverschiebung des Grundzustandsübergangs hin zu niedrigeren Energien beobachtet [1]. Neue Messungen mit höherer spektraler Auflösung unter Tieftemperatur-Bedingungen zeigen, daß diese Rotverschiebungen als durch neu auftretende Linien verursacht werden, die auf Wechselwirkungen zwischen den Ladungsträgern im Quantenpunkt zurückgeführt werden können. Bei niedrigen Anregungsintensitäten kommt hierfür insbesondere die Bildung von Trionen und Biexzitonen in Betracht. Wir finden Bindungenergien um 17 meV für das Biexziton und um 10 meV für das Trion, im Unterschied zu den bisher für III-V-Systeme gemessenen Wechselwirkungsstärken von unter 3 meV [2, 3]. Diese unerwarteten Ergebnisse werden im Rahmen gängiger theoretischer Modelle diskutiert.

[1] J.L. Spithoven et al., J. of Vac. Sci. Technol. B 17, 1632 (1999)

[2] M. Bayer et al., Phys. Rev. B 58, 4740 (1998)

[3] A. Zrenner, J. Chem. Phys. 112, 7790 (2000)

Time-Resolved Spectroscopy on Single CdSe/ZnSe Self-Assembled Quantum Dots

•Brian Patton, Wolfgang Langbein und Ulrike Woggon
Exp. Physik IIb, Universität Dortmund, Otto-Hahn-Str. 4, 44221 Dortmund

Single-dot spectroscopy in systems of semiconductor quantum dots often relies on the ability to isolate the features of one dot from a spectrum containing multiple dots. In these systems statistical variations in the E-field in the vicinity of the dot by carrier trapping processes cause jitter in the spectral position of excitonic features. We use this effect to identify transitions from individual dots in a CdSe/ZnSe system. We can then remove the effects of jitter components with a frequency of less than 1Hz.
Theory predicts that anisotropy in the shape of quantum dots leads to a polarisation-splitting in the spectrum. We measure and use this splitting to isolate the spectral features of individual dots, allowing us to assign them to exciton, biexciton and charged exciton (trion) transitions. Time-resolved analysis of these features presents an insight into the processes governing the decay of these multi-particle systems and confirms the assignations made above. We present data on the lifetimes of these transitions, including a trion lifetime comparible to the exciton lifetime and, in contrast to [1], a biexciton lifetime approximately half that of the exciton. Furthermore, we find a trion binding energy comparible to that of the biexciton.
We are grateful to K. H. Leonardi and D. Hommel (University of Bremen) for providing the samples.
[1] G. Bacher et al., Phys. Rev. Lett. 83, 4417 (1999).

Elektrisch gepumpte Quantendrahtintersubbandemitter

•Stefan Schmult¹, Ingo Keck¹, Wilfried Meindl¹, Werner Wegscheider¹, Andreas Mayer², Max Bichler³, Dieter Schuh³ und Gerhard Abstreiter^3
1Universität Regensburg, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, 93040 Regensburg
²Universität Regensburg, Institut für Theoretische Physik, 93040 Regensburg
³Walter Schottky Institut, Technische Universität München, Am Coulombwall, 85748 Garching

Der Übergang von elektrisch gepumpten Quantenkaskadenemittern bestehend aus 2-dimensionalen gekoppelten Elektronensystemen hin zu 1-dimensionalen gekoppelten Elektronensystemen wird im Materialsystem GaAs/AlGaAs vorgestellt. Grundlegende theoretische Betrachtungen sagen eine Verringerung der nichtstrahlenden Übergänge und damit eine verbesserte Umwandlungseffizienz vorher. Die elektronischen Zustände werden mit einem 2-dimensionalen Schrödinger-Poisson-Solver berechnet. Die zugrundeliegenden Strukturen beruhen auf dem Verfahren des Überwachsens von Spaltflächen unter Verwendung von Molekularstrahlepitaxie. Raumtemperatur-Strom-Spannungs-Kennlinien zeigen ein ausgeprägtes nichtsymmetrisches und nichtlineares Verhalten, typisch für derartige Strukturen. Der Vortrag beschreibt zusammenfassend Bandstruktursimulationen zum komplexen elektronischen und strukturellen Design der Proben.

Spinkohärenz in selbstorganisierten CdSe/ZnSe-Quantenpunkten

•Michael Scheibner¹, Gerd Bacher¹, Alfred Forchel¹, Thorsten Passow² und Detlef Hommel^2
1Technische Physik Universität Würzburg
²Institut für Festkörperphysik Universität Bremen

Seit kurzem finden sich immer mehr Konzepte anstatt bzw. zusätzlich zur 'Ladung' des Elektrons (Lochs) auch dessen 'Spin' als Träger von Information zu verwenden. Für die Realisierung solcher spinbasierter Bauteile ist es von besonderem Interesse wie lange ein einmal präparierter 'Spin-'Zustand erhalten bleibt.

Wir haben die Spindynamik von Exzitonen in CdSe/ZnSe-Quantenpunkten mittels zeitaufgelöster Photolumineszenz-Spektroskopie studiert. Durch strikt resonante Anregung wurde sichergestellt, daß nur die intrinsische Spinkohärenz der Exzitonen gemessen wurde. Erfolgt die Anregung mit zirkular polarisiertem Licht, so ist das Lumineszenssignal nur gering polarisiert. Bei Anregung mit linear polarisiertem Licht hingegen weist die Lumineszenz einen hohen Polarisationsgrad von bis zu 80% auf. Interessanterweise kann innerhalb der exzitonischen Lebensdauer von 240ps keine Abnahme der Polarisation beobachtet werden, d.h. bei tiefen Temperaturen liegt die Spinkohärenzzeit im Bereich von Nanosekunden. Wir diskutieren das Verhalten der Spinkohärenz in Abhängigkeit von experimentellen Parametern wie z.B. der Anregungsleistung und der Temperatur.

Erzeugung kurzer Pulse mit einem synchron gepumpten Quantenpunktlaser

•Christoph Lingk¹, J. Feldmann¹, M. Arzberger², M.-C. Amann² und G. Abstreiter^2
1Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik, Sektion Physik und CeNS, Ludwig-Maximilians-Universität München, Amalienstr. 54, D-80799 München
²Walter Schottky Institut, Technische Universität München, Am Coulombwall, D-85748 München

Wir untersuchen die Emissionseigenschaften eines optisch synchron gepumpten Quantenpunktlasers. Die Probe ist ein 1,7 mm langer Stegwellenleiter, dessen aktive Schicht aus 7 Lagen InAs/GaAs Quantenpunkten besteht. Nach gepulster optischer Anregung durch einen Ti:Saphir-Laser wird die Emission von der einen Facette durch ein Mikroskopobjektiv in einen externen Resonator eingekoppelt, dessen Länge der Repetitionsrate des Pumplasers entspricht. Das Zeitverhalten dieses Lasers wird mit Hilfe der Femtosekundenaufkonversion vermessen. Dieses System erzeugt sub-10 ps Pulse bei einer Wellenlänge von 1,1 mm. Da die interne Facette nicht entspiegelt ist, wird dieser kurze Puls mehrere male an den Diodenfacetten reflektiert. Der Einfluss einer Entspiegelung der internen Facette auf Pulsform und Pulsdauer wird untersucht.

Bindin energy of shallow donor impurities in polar cylindrical quantum well wire

•M. Bouhassoune
Max-Planck Institut für Mikrostrukturphysik, Weinberg 2, 06120 Halle, Germany

The binding energy of a hydrogenic impurity in cylindrical quantum well wire is investigated. Calculations is performed within the effective mass approximation and using a variational approach. The electronic confinement was modeled by a finite and infinite deep potential well. The interaction of the charge carriers (electron and ion) with both the confined longitudinal optical (LO) and surface optical (SO) phonons of the polar material has been considered. The results show that the binding energy and the electron effective mass depend strongly on the size of the wire, the height of the potential barrier and the polaronic corrections. Furthermore, for thin wires the binding energy depends also on the variation of the electron effective mass at the edge of the wire.

Magnetic field and polaronic effects on the binding energy of a hydrogenic impurity in a cylindrical quantum dot

•M. Bouhassoune
Max-Planck Institut für Mikrostrukturphysik, Weinberg 2, 06120 Halle, Germany

The role of the magnetic field and polaron effect on the binding energy of shallow donor impurities in a cylindrical quantum dot (QD) is analyzed in the framework of the effective mass approximation by using the variational approach. The magnetic field is applied in the axial direction and the interaction of the carrier charges (electron and ion) with the confined longitudinal optical phonons as well as the side surface and top surface optical phonons are considered. We describe the effect of the quantum confinement by an infinitely deep potential well. Results are obtained as functions of dot sizes (radius and height) on the donor impurity position for several magnetic field strengths. Emphasis is put on the dependence of the polaronic correction on the magnetic field and the impurity position. The results can be useful to control the spatial distribution of the donor center in the QD.

Einzelphotonenemission von CdSe-Quantenpunkten

•K. Sebald¹, S. M. Ulrich¹, P. Michler¹, T. Passow², D. Hommel², G. Bacher³ und A. Forchel^3
1Halbleiteroptik, Institut für Festkörperphysik, Universität Bremen
²Halbleiterepitaxie, Institut für Festkörperphysik, Universität Bremen
³Technische Physik, Universität Würzburg

Ein aktuelles Forschungsgebiet ist die Realisierung von Einzel-Photonen-Emittern, die auf ein externes Triggerereignis nur ein Photon in einem definierten Zeitbereich emittieren. Eine mögliche Anwendung liegt in der Quanten-Kryptographie. Diese nicht-klassische Photonenquelle kann, u.a., durch Quantenpunktstrukturen realisiert werden. Kürzlich wurde gezeigt, daß eine solche nicht-klassische Photonenquelle auf der Basis eines InGaAs/GaAs-Quantenpunktes realisiert werden kann [1]. Wir berichten hier erstmalig über Untersuchungen zur Einzelphotonenemission von CdSe-Quantenpunkten in einer Zn/(S,Se)-Matrix. Die untersuchten CdSe-Quantenpunktstrukturen wurden mittels Molekularstrahl-Epitaxie hergestellt (selbstorganisiertes Wachstum) und in Mesen strukturiert. Für die Photonenstatistikmessungen wurde die Lumineszenz der Probe durch ein Mikroskopobjektiv gesammelt, spektral gefiltert und auf einen Photonen-Korrelations-Nachweis (nach Hanbury-Brown and Twiss (HBT)) geschickt. Einzelphotonenemission unter gepulster (82 MHz), nicht resonanter Anregung, wurde an einem CdSe-Quantenpunkt nachgewiesen.

[1] P. Michler et al., Science 290, 2282 (2000).

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Zuletzt geändert am 14.11.2002

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