Elektronische Quantenpunktzustände induziert durch Photonemission

In der vorliegenden Arbeit werden Halbleiter-Quantenpunkte untersucht, die bezüglich ihres Wachstumsprozesses, in einer dünnen Benetzungsschicht eingebettet sind. Diese Benetzungsschicht ist von zwei-dimensionalen Charakter und stellt ein Kontinuum für Quantenpunktelektronen dar. Wechselwirkungseffekte zwischen Quantenpunktelektronen und Quasi-Kontinuumselektronen sind deshalb gegenwärtig. Die Experimente basieren auf der Messung von Photolumineszenzstrahlung, ausgehend von Exzitonen (X) in Abhängigkeit von einem äußeren elektrischen und magnetischen Feld und von der Temperatur. Zu deren Untersuchung wird ein konfokales Miniaturmikroskop verwendet, das magnetfeld- und temperaturstabil arbeitet. Der optische Zugang zur Probenstruktur wird mittels Glasfasertechnik realisiert. Sämtliche Experimente werden bei der Temperatur des flüssigen Heliums (4.2 K) durchgeführt. Die Quantenpunkte lassen sich kontrolliert über das Anlegen einer äußeren Spannung mit Elektronen befüllen, als Folge eines in der Struktur erzeugten Feldeffektes. Damit stehen der Untersuchung ladungsabhängige, exzitonische Zustände im Magnetfeld zur Verfügung. Für die ersten drei Ladungszustände, die als das neutrale Exziton (X0), das einfach negativ geladene Exziton (X1−) und das zweifach negativ geladene Exziton (X2−) bezeichnet sind, werden eine Spin-Zeeman-Aufspaltung und eine diamagnetische Verschiebung der Emissionslinie im Magnetfeld beobachtet. Das dreifach negativ geladene Exziton (X3−) zeigt ein vollständig unterschiedliches Verhalten im Magnetfeld. Statt der beschriebenen magnetischen Eigenschaften der Exzitonen X0 bis X2− ist der Verlauf der Photolumineszenzstrahlung des X3−-Exzitons durch dominante Niveauabstoßung charakterisiert. Die Positionen der auftretenden Niveauabstoßungen im reziproken Magnetfeld verhalten sich äquidistant, welches ein Charakteristikum für ein zwei- oder drei-dimensionales Quantensystem ist. Die Wechselwirkung zwischen dem Quantenpunktsystem und dem zwei-dimensionalen Quantensystem (Benetzungsschicht) wird durch einen neu entdeckten Prozess vermittelt. Die Folge ist eine Hybridisierung zwischen lokalisierten Zuständen im Quantenpunkt und delokalisierten Zuständen des zwei-dimensionalen Quantensystems, die auf den beobachteten Verlauf der Photolumineszenz im Magnetfeld schließen lässt. Mittels einer Simulation nach einem theoretischen Modell lassen sich diese Effekte quantitativ bestätigen. Die auftretende Hybridisierung kann unabhängig vom Einfluss eines Magnetfeldes gleichfalls über ein elektrisches Feld aktiviert bzw. deaktiviert werden. Der Grund für eine elektrostatische Umbesetzung von Quantenpunktzuständen ist momentan nicht bekannt und ist Bestandteil der aktuellen Forschung

Hybridization of electronic states in quantum dots through photon emission

4 páginas, 5 figuras.The self-assembly of semiconductor quantum dots has opened up new opportunities in photonics. Quantum dots are usually described as 'artificial atoms', because electron and hole confinement gives rise to discrete energy levels. This picture can be justified from the shell structure observed as a quantum dot is filled either with excitons1 (bound electron–hole pairs) or with electrons2. The discrete energy levels have been most spectacularly exploited in single photon sources that use a single quantum dot as emitter3, 4, 5, 6. At low temperatures, the artificial atom picture is strengthened by the long coherence times of excitons in quantum dots7, 8, 9, motivating the application of quantum dots in quantum optics and quantum information processing. In this context, excitons in quantum dots have already been manipulated coherently10, 11, 12. We show here that quantum dots can also possess electronic states that go far beyond the artificial atom model. These states are a coherent hybridization of localized quantum dot states and extended continuum states: they have no analogue in atomic physics. The states are generated by the emission of a photon from a quantum dot. We show how a new version of the Anderson model that describes interactions between localized and extended states can account for the observed hybridization.This work was funded by the DFG, EPSRC and The Royal Society.Peer reviewe