431 research outputs found

    Direct observation of dynamic surface acoustic wave controlled carrier injection into single quantum posts using phase-resolved optical spectroscopy

    Get PDF
    A versatile stroboscopic technique based on active phase-locking of a surface acoustic wave to picosecond laser pulses is used to monitor dynamic acoustoelectric effects. Time-integrated multi-channel detection is applied to probe the modulation of the emission of a quantum well for different frequencies of the surface acoustic wave. For quantum posts we resolve dynamically controlled generation of neutral and charged excitons and preferential injection of holes into localized states within the nanostructure.Comment: 10 pages, 4 figure

    Dynamic modulation of photonic crystal nanocavities using gigahertz acoustic phonons

    Get PDF
    Photonic crystal membranes (PCM) provide a versatile planar platform for on-chip implementations of photonic quantum circuits. One prominent quantum element is a coupled system consisting of a nanocavity and a single quantum dot (QD) which forms a fundamental building block for elaborate quantum information networks and a cavity quantum electrodynamic (cQED) system controlled by single photons. So far no fast tuning mechanism is available to achieve control within the system coherence time. Here we demonstrate dynamic tuning by monochromatic coherent acoustic phonons formed by a surface acoustic wave (SAW) with frequencies exceeding 1.7 gigahertz, one order of magnitude faster than alternative approaches. We resolve a periodic modulation of the optical mode exceeding eight times its linewidth, preserving both the spatial mode profile and a high quality factor. Since PCMs confine photonic and phononic excitations, coupling optical to acoustic frequencies, our technique opens ways towards coherent acoustic control of optomechanical crystals.Comment: 11 pages 4 figure

    Dynamic acousto-optic control of a strongly coupled photonic molecule

    Get PDF
    Strongly confined photonic modes can couple to quantum emitters and mechanical excitations. To harness the full potential in quantum photonic circuits, interactions between different constituents have to be precisely and dynamically controlled. Here, a prototypical coupled element, a photonic molecule defined in a photonic crystal membrane, is controlled by a radio frequency surface acoustic wave. The sound wave is tailored to deliberately switch on and off the bond of the photonic molecule on sub-nanosecond timescales. In time-resolved experiments, the acousto-optically controllable coupling is directly observed as clear anticrossings between the two nanophotonic modes. The coupling strength is determined directly from the experimental data. Both the time dependence of the tuning and the inter-cavity coupling strength are found to be in excellent agreement with numerical calculations. The demonstrated mechanical technique can be directly applied for dynamic quantum gate operations in state-of-the-art-coupled nanophotonic, quantum cavity electrodynamic and optomechanical systems

    Dynamic Acoustic Control of Individual Optically Active Quantum Dot-like Emission Centers in Heterostructure Nanowires

    Get PDF
    We probe and control the optical properties of emission centers forming in radial het- erostructure GaAs-Al0.3Ga0.7As nanowires and show that these emitters, located in Al0.3Ga0.7As layers, can exhibit quantum-dot like characteristics. We employ a radio frequency surface acoustic wave to dynamically control their emission energy and occupancy state on a nanosec- ond timescale. In the spectral oscillations we identify unambiguous signatures arising from both the mechanical and electrical component of the surface acoustic wave. In addition, differ- ent emission lines of a single quantum dot exhibit pronounced anti-correlated intensity oscilla- tions during the acoustic cycle. These arise from a dynamically triggered carrier extraction out of the quantum dot to a continuum in the radial heterostructure. Using finite element modeling and Wentzel-Kramers-Brillouin theory we identify quantum tunneling as the underlying mech- anism. These simulation results quantitatively reproduce the observed switching and show that in our systems these quantum dots are spatially separated from the continuum by > 10.5 nm.Comment: This document is the unedited Author's version of a Submitted Work that was subsequently accepted for publication in Nano Letters, copyright \c{copyright} American Chemical Society after peer review. To access the final edited and published work see http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl404043

    Acoustic charge manipulation in semiconductor nanostructures for optical applications

    Get PDF
    Within this thesis, the influence of a surface acoustic wave (SAW) on the luminescence of semiconductor nanostructures is investigated. Beginning with the physics of low-dimensional semiconductor structures, the quantum mechanical and optical properties of quantum dot (QD) systems are discussed. In particular, intrinsic parameters of QDs such as morphology, composition, strain and occupation with carriers are taken into account. Subsequently, the influence of an applied electric field and of externally induced strain are introduced. From this general approach, the discussion is focused to quantum posts (QPs) which are columnar shaped semiconductor nanostructures. In contrast to conventional self-assembled QDs, the height of the QPs can be controlled by the epitaxial growth process. Due to the adjustable height, electronic states and therefore the exciton transition energies can be tailored. Furthermore, QPs are embedded in a matrix-quantum-well structure which has important influence on the carrier dynamic if a SAW is excited on the sample. Mainly, two effects have to be considered regarding the interaction of charge carriers with SAWs: deformation potential coupling and acousto-electric coupling. For the investigated material and used SAW frequencies, acousto-electric coupling dominates the interaction between charges and SAW. For a quantum well (QW) structure, the periodic band modulation dissociates excitons into sequential stripes of electrons and holes which then are conveyed by the SAW. This so called bipolar transport or charge conveyance effect can be used to inject carriers into remote QD structures and has already been demonstrated for QD ensembles. The injection of carriers into individual quantum posts is successfully demonstrated for the first time within this work. The spectrally resolved photoluminescence (PL) data of individual QPs show an unexpected switching of PL lines which cannot be induced by varying other parameters, e.g. the laser intensity. At a well-defined critical SAW power a switching from lines with lower PL energy to lines with higher energy is observed. Since the SAW induces a bipolar charge transport within the surrounding matrix-QW, a SAW driven carrier capture process from the matrix into the posts is assumed. Conventional self-assembled QDs show a switching behaviour, too. However, a pronounced hysteresis is observed for a single QD when the SAW power is increased and subsequently decreased, whereas the QP luminescence has a non-hysteretic characteristic. The different experimental observations are explained by the widths of the 2-dimensional layers to which the nanostructures are coupled. The matrix-QW of the QP sample is relatively wide compared to the thin wetting layer of the QD sample giving rise to different carrier mobilities within these structures. The matrix-QW and individual QP luminescence is detected temporally resolved using phase locking. Then, the oscillation of the SAW and the trigger of a pulsed laser are synchronized. This method offers multi-channel detection and is highly sensitive, since the same detector can be used as for time-integrated measurements. For an entire SAW cycle, both signals show a modulation in intensity with a period that corresponds to one SAW cycle. The period of this modulation can be explained by different effective masses and mobilities of electrons and holes.Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Einfluss akustischer Oberflächenwellen auf die Lumineszenz von Halbleiter-Nanostrukturen. Beginnend mit der Physik niedrigdimensionaler Halbleiterstrukturen werden die quantenmechanischen und optischen Eigenschaften von Quantenpunktsystemen diskutiert. Zunächst werden intrinsische Parameter der Quantenpunkte behandelt, wie z.B. Morphologie, chemische Zusammensetzung, mechanische Spannung und Ladungsträgerbesetzung. Anschließend wird der Einfluss eines extern angelegten elektrischen Feldes und einer extern induzierten mechanischen Spannung diskutiert. Ausgehend von dieser allgemeinen Abhandlung wird der Fokus der Arbeit auf sogenannte Quantenposts gelenkt. Diese sind säulenartige Halbleiter-Nanostrukturen, deren Höhe im Gegensatz zu konventionellen Quantenpunktstrukturen beim Wachstumsprozess gezielt kontrolliert werden kann. Dadurch können die elektronischen Zustände und damit die Exziton-Übergangsenergien maßgeschneidert werden. Eine weitere Besonderheit dieser Strukturen ist die Tatsache, dass die Quantenposts in einer lateralen Matrix mit Quantentopf-Eigenschaften eingebettet sind. Dies hat im Zusammenspiel mit akustischen Oberflächenwellen entscheidenden Einfluss auf die Ladungsträgerdynamik. Für die Wechselwirkung zwischen akustischen Oberflächenwellen und im Halbleiter angeregten Ladungsträgern kommen im Wesentlichen zwei Effekte in Betracht: die Deformationspotentialkopplung und die akusto-elektrische Kopplung. Für das verwendete Probenmaterial und bei moderaten Oberflächenwellenfrequenzen wird die Wechselwirkung letztlich durch die akusto-elektrische Kopplung dominiert und führt in Quantentopfstrukturen zu einer Dissoziation von Exzitonen und einer lokalen Unterdrückung der strahlenden Rekombination. Die Ladungsträger liegen nun in sequentiellen Streifen von Elektronen und Löchern vor und werden im dynamisch modulierten Potential der Welle mit transportiert. Dieser sogenannte bipolare Ladungsträgertransport kann dazu genutzt werden, Ladungsträger in entfernt liegende Quantenpunktstrukturen zu injizieren, was für Ensembles von Quantenpunkten bereits gezeigt wurde. Die Ladungsträgerinjektion in einzelne Quantenposts mit Hilfe von akustischen Oberflächenwellen konnte zum ersten Mal in dieser Arbeit demonstriert werden. Betrachtet man die Photolumineszenz-Spektren einzelner Quantenpoststrukturen unter Anregung akustischer Oberflächenwellen, so zeigt sich ein unerwartetes Schaltverhalten. Ab einer kritischen Oberflächenwellenleistung setzt ein Schalten von niederenergetischen zu höherenergetischen Spektrallinien ein, welches durch das Verändern anderer Parameter, wie z.B. der Laserleistung, nicht herbeigeführt werden kann. Das charakteristische Schaltverhalten der Quantenposts wird anhand eines Modells erklärt, bei welchem der bipolare Ladungsträgertransport in der umgebenden Matrix eine entscheidende Rolle einnimmt. Im Falle konventioneller Quantenpunkte stellt man ebenfalls ein Schalten der Lumineszenz fest. Die spektralen Linien einzelner Quantenpunkte und der Benetzungsschicht weisen jedoch eine ausgeprägte Hysterese auf, wenn man die Leistung der akustischen Oberflächenwelle erhöht und danach erniedrigt. Im Falle der Quantenpostprobe erkennt man weder für die einzelnen Posts noch für die Matrix eine ausgeprägte Hysterese. Diese Unterschiede werden u.a. durch die unterschiedlichen Ausmaße von Matrix und Benetzungsschicht erklärt, welche zu unterschiedlichen effektiven Massen und Beweglichkeiten der Ladungsträger führen. Mit Hilfe phasengekoppelter Photolumineszenz-Messungen wird die Lumineszenz der Matrix und einzelner Quantenposts zeitlich aufgelöst aufgenommen. Bei dieser Methode wird die zeitliche Auflösung nicht detektionsbasiert, sondern durch die Synchronisation der Oberflächenwelle mit den emittierten Laserpulsen realisiert. Vorteile dieser Methode sind, dass die hohe Empfindlichkeit und die Vielkanaldetektion der nicht-zeitauflösenden CCD beibehalten werden. Sowohl die Photolumineszenz der Matrix als auch die einzelner Posts zeigen eine Modulation der Intensitäten, deren Periode genau einem Oberflächenwellenzyklus entspricht. Die Modulationsperiode lässt sich durch die unterschiedlichen effektiven Massen und Mobilitäten von Elektronen und Löchern erklären

    Multiharmonic Frequency-Chirped Transducers for Surface-Acoustic-Wave Optomechanics

    Get PDF
    Wide-passband interdigital transducers are employed to establish a stable phase lock between a train of laser pulses emitted by a mode-locked laser and a surface acoustic wave generated electrically by the transducer. The transducer design is based on a multiharmonic split-finger architecture for the excitation of a fundamental surface acoustic wave and a discrete number of its overtones. Simply by introducing a variation of the transducer's periodicity p, a frequency chirp is added. This combination results in wide frequency bands for each harmonic. The transducer's conversion efficiency from the electrical to the acoustic domain is characterized optomechanically using single quantum dots acting as nanoscale pressure sensors. The ability to generate surface acoustic waves over a wide band of frequencies enables advanced acousto-optic spectroscopy using mode-locked lasers with fixed repetition rate. Stable phase locking between the electrically generated acoustic wave and the train of laser pulses is confirmed by performing stroboscopic spectroscopy on a single quantum dot at a frequency of 320 MHz. Finally, the dynamic spectral modulation of the quantum dot is directly monitored in the time domain combining stable phase-locked optical excitation and time-correlated single-photon counting. The demonstrated scheme will be particularly useful for the experimental implementation of surface-acoustic-wave-driven quantum gates of optically addressable qubits or collective quantum states or for multicomponent Fourier synthesis of tailored nanomechanical waveforms

    Single photon source based on InGaN/GaN dot-in-a-wire heterosturcture

    Full text link
    Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física de Materiales. Fecha de lectura: 12-01-2017Esta tesis presenta una investigación sobre las propiedades ópticas, de las propiedades estructurales y ópticas de puntos cuánticos (PCs) formados en inclusiones de InGaN con distintas orientaciones (polares, semi-polares y no polares) incluidas en nanocolumnas de GaN. Las principales conclusiones son las siguientes: Los puntos cuánticos polares de InGaN de las estructuras de InGaN/GaN tienen una alta calidad de emisión óptica con alto grado de polarización lineal y son visibles hasta 80 K. El origen de la formación se atribuye a fluctuaciones aleatorias de concentración de In. La sección eficaz de absorción obtenida está entre las más altas reportadas para puntos cuánticos semiconductores. Las vidas medias estimadas de los excitones están en el rango de nanosegundos. Estos puntos cuánticos constituyen fuentes de fotones individuales, como demuestran las medidas de interferometría Hanbury Brown y Twiss. Los valores estimados de la función de correlación de segundo orden a retardo de tiempo cero están muy por debajo del umbral de dos fotones. Esta fuente de fotones individuales emite en el espectro visible y opera hasta un rango de 1 GHz. La modulación espectral dinámica de la emisión de los PCs polares de InGaN se consiguió mediante el uso de ondas acústicas superficiales y diferentes técnicas estroboscópicas. La modulación obtenida de la energía de emisión para el exciton y el biexciton es un paso prometedor hacia la realización de una fuente sintonizable de fotones individuales operando a alta frecuencia sin necesidad de excitación pulsada. Además, se obtuvo la modulación acústicamente inducida de la energía de ligadura del biexcitón sin ninguna degradación apreciable de la intensidad de emisión. También se determinó que el campo piezoeléctrico lateral es responsable de la inyección de pares de electrones-huecos en el PC desde la región InGaN circundante. Los PCs de InGaN formados en los planos semi-polares y no polares de la heterostructura de nanocolumna con capa lateral (core-shell) poseen cualidades similares a sus homólogos polares. Debido a la influencia reducida del campo eléctrico interno para los planos semi-polares y no polares, las vidas de emisión son más pequeñas y en el rango de picosegundos. Se obtuvo en una sola nanocolumna una fuente de fotones que emitía en las regiones espectrales ultravioleta (PCs no polares), violeta (PCs semi-polares) y visible (PCs polares). El régimen de operación alcanza hasta 2,1 GHz, lo que hace que este dispositivo sea adecuado para aplicaciones de alta frecuencia en el campo del procesamiento de información cuántica. Los resultados obtenidos son un paso prometedor hacia la realización de un emisor de fotones individuales sintonizable dinámicamente con alto grado de polarización lineal y operando a alta frecuencia, que es un componente crucial para la computación cuántica óptica lineal, la comunicación cuántica, la criptografía cuántica y la distribución de claves cuánticos

    Hybrid LiNbO3-(Al)GaAs devices for quantum dot optomechanics

    Get PDF
    Acoustic phonons, in the form of elastic waves, couple easily to many excitations present in condensed matter which makes them ideally suited for the design and realization of hybrid quantum systems. In this context, surface acoustic waves (SAWs), mechanical waves confined to the surface of solid state substrates and generated by interdigital transducers (IDTs) on piezoelectric substrates, have been proven to be a useful tool for the control of quantum systems. In parallel, semiconductor quantum dots (QDs) have also been considered as an essential part of future quantum systems and technology as an optically active and addressable two-level system and as an efficient source of single and indistinguishable photons. In this work, we focus on the control of optically active semiconductor QDs by the mechanical field of a SAW through the deformation potential coupling. The strength of this interaction can be quantified by a coupling parameter just like for many hybrid quantum devices, in this case, it is the optomechanical coupling parameter gOM linking the modulation of the emission energy as a function of the surface displacement of the SAW. In this thesis, the goal is to increase the optomechanical coupling between the two systems. For this purpose, the III-V semiconductor quantum dots are transferred onto a strong piezoelectric substrate, LiNbO3. After a brief introduction on surface acoustic waves, semiconductor quantum dots and their interaction, the fabrication technique used to create the hybrid devices analysed in this work is presented. This technique, called epitaxial lift-off, is used to release a QD membrane from its GaAs substrate to transfer it onto a LiNbO3 SAW-chip. Next, the coupling of the surface acoustic waves is studied first through finite element simulations which show an increased optomechanical coupling parameter due to a localisation of the SAW field inside the membrane for increasing SAW frequency. The simulations results are confirmed by fabricating and measuring an hybridised SAW sample. The coupling of the wave to the membrane is quantified by measuring both the SAW signal transmitted across the hybridised delay line and the optomechanical response of the dots inside the epilayer. To further increase the sound-matter coupling, the epilayer was transferred inside a SAW resonator cavity where both the electrical reflection of the resonator and the optomechanical coupling of the dots to the resonator modes were recorded. The QD-SAW coupling exhibits a more complex behaviour than expected and finite element method simulations show that the origin of this behaviour is not the classical linear deformation potential coupling. Finally, the transferred epilayer can be patterned into more complex structures such as photonic ring resonators and their access waveguides. The interaction between the SAW, the QDs and the resonators was measured and analysed. The QDs were tuned in and out of resonance with the ring resonator modes. In addition to the photonic modes, the emergence of phononic resonances was observed. These phononic resonances showed an interesting non-linear behaviour which is analysed in more detail.Akustische Phononen in Form von elastischen Wellen koppeln leicht an viele Anregungen in kondensierter Materie, wodurch sie sich ideal für die Entwicklung und die Realisierung hybrider Quantensysteme eignen. In diesem Zusammenhang haben sich akustische Oberflächenwellen (SAWs), mechanische Wellen, deren Ausbreitung auf die Oberfläche von Festkörsubstraten beschränkt ist und mittels Interdigitalwandlern (IDTs) auf piezoelektrischen Substraten erzeugt werden können, als nützliches Werkzeug zur Steuerung von Quantensystemen erwiesen. Gleichzeitig werden Halbleiter-Quantenpunkte (QDs) als wesentlicher Bestandteil zukünftiger Quantensysteme und -technologien betrachtet, da es sich bei diesen um optisch aktive und einzeln ansprechbare Zwei-Niveau-Systeme und damit um effiziente Quellen einzelner und ununterscheidbarer Photonen handelt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Kontrolle optisch aktiver Halbleiter-QDs durch das mechanische Feld einer SAW mittels der Deformationspotentialkopplung. Die Stärke dieser Wechselwirkung kann, wie bei vielen hybriden Quantenbauelementen, durch einen Kopplungsparameter quantifiziert werden, in diesem Fall durch den optomechanischen Kopplungsparameter gOM, der die Modulation der Quantenpunkt-Emissionsenergie mit der Auslenkung der Oberfläche durch die SAW verknüpft. Ziel dieser Arbeit ist es, die optomechanische Kopplung zwischen den beiden Systemen zu erhöhen. Dazu werden die III-V Halbleiter-Quantenpunkte auf ein starkes piezoelektrisches Substrat, LiNbO3, übertragen. Nach einer kurzen Einführung zu akustischen Oberflächenwellen, Halbleiter-Quantenpunkten und deren Wechselwirkung wird die Fabrikationstechnik zur Herstellung der in dieser Arbeit analysierten Hybridbauelemente vorgestellt. Diese Technik, die als epitaktischer Lift-Off bezeichnet wird, wird verwendet, um eine QD-Membran von ihrem GaAs-Substrat zu lösen, um sie auf einen LiNbO3-SAW-Chip zu übertragen. Daraufhin wird die Kopplung der akustischen Oberflächenwellen zur QD-Membran zunächst durch Finite-Elemente-Simulationen untersucht. Dabei zeigt sich mit steigender SAW-Frequenz, aufgrund einer Lokalisierung des SAW-Feldes innerhalb der Membran, ein erhöhter optomechanischer Kopplungsparameter. Die Simulationsergebnisse werden durch die Herstellung und Untersuchung einer hybridisierten SAW-Probe bestätigt. Die Kopplung der Oberflächenwelle an die Membran wird quantifiziert, indem sowohl das über die hybridisierte Verzögerungsleitung übertragene SAW-Signal, als auch die optomechanische Reaktion der Quantenpunkte innerhalb der Epischicht gemessen werden. Um die Schall-Materie-Kopplung weiter zu erhöhen, wurde die Epischicht in einen SAW-Resonator transferiert. Für dieses System wurde sowohl die elektrische Reflexion des Resonators als auch die optomechanische Kopplung der Quantenpunkte an die Resonatormoden untersucht. Die QD-SAW-Kopplung zeigt dabei ein komplexeres Verhalten als erwartet und Simulationen mittels der Finite-Elemente-Methode zeigen, dass der Ursprung dieses Verhaltens nicht in der klassischen linearen Verformungspotentialkopplung liegt. Abschließend wird eine übertragene Epischicht weiter strukturiert um komplexere photonische Strukturen wie Ringresonatoren und deren Zugangswellenleiter herzustellen. Die Interaktion zwischen SAW, QDs und Resonatoren wurde dabei gemessen und im Detail analysiert. Dabei kann die SAW dazu benutz werden, um einen Quantenpunkt dynamisch in Resonanz mit der Ringresonatormode zu bringen. Neben den photonischen Resonanzen kann dabei auch das Auftreten von phononischen Moden innerhalb der Ringresonatoren beobachtet werden. Diese phononischen Resonanzen zeigen ein ausgeprägtes nichtlineares Verhalten, welches im Detail analysiert wird
    corecore