Photonic and electric control of single photon emission from individual quantum dots

Modern single photon quantum technologies require on-demand and deterministic sources. Single photon emission has been observed from various solid state systems, such as individual molecules, defects and colour centres in diamond and 2D materials, and artificial atoms - quantum dots. However, the quantum emitters suffer from the slow radiation rate and omnidirectional emission, preventing their practical applications. First, this Thesis proposes to exploit the charged excitonic states in individual colloidal quantum dots for the enhancement of radiation rate. Electron injection to a quantum dot increases the number of de-excitation pathways, hence boosting the single photon generation speed. The optical properties of charged excitons depend drastically on the number of injected electrons, which can be controlled by applying a voltage bias in an electrochemical cell, thus providing for an active and deterministic way to manipulate the single photon emission. The charge transfer allows for a deterministic manipulation of quantum dot photodynamics, with an observed 210-fold increase of the radiation rate, accompanied by a 12-fold decrease of the emission intensity, all while preserving single-photon emission characteristics. Secondly, this Thesis proposes a 3D metal-dielectric parabolic antenna with an individual quantum dot in its focal point as a source of collimated single photons which can then be easily extracted and manipulated. Compared to conventional nano-antennas, 3D parabolic antenna design does not require near-field coupling, hence it is very robust against misalignment issues, and minimally affected by absorption in the metal. The parabolic antenna provides one of the largest reported experimental directivity (D=106) and the lowest beam divergence (13.5 deg), a broadband operation over all the visible and near-IR range, together with more than 96% extraction efficiency, offering a practical advantage for quantum technological applications.Open Acces

Objective-free excitation of quantum emitters with a laser-written micro parabolic mirror

The efficient excitation of quantum sources such as quantum dots or single molecules requires high NA optics which is often a challenge in cryogenics, or in ultrafast optics. Here we propose a 3.2 um wide parabolic mirror, with a 0.8 um focal length, fabricated by direct laser writing on CdSe/CdS colloidal quantum dots, capable of focusing the excitation light to a sub-wavelength spot and to extract the generated emission by collimating it into a narrow beam. This mirror is fabricated via in-situ volumetric optical lithography, which can be aligned to individual emitters, and it can be easily adapted to other geometries beyond the paraboloid. This compact solid-state transducer from far-field to the emitter has important applications in objective-free quantum technologies

Inducing room-temperature valley polarization of excitonic emission in transition metal dichalcogenide monolayers

The lowest energy states in transition metal dichalcogenide (TMD) monolayers follow valley selection rules, which have attracted vast interest due to the possibility of encoding and processing of quantum information. However, these quantum states are strongly affected by the temperature-dependent intervalley scattering causing complete valley depolarization, which is hampering any practical applications of TMD monolayers at room temperature. Therefore, for achieving clear and robust valley polarization in TMD monolayers one needs to suppress parasitic depolarization processes, which is the central challenge in the growing field of valleytronics. Here, in electron-doping experiments on TMD monolayers, we demonstrate that strong doping levels beyond $10^{13}$~cm$^{-2}$ can induce 61\% and 37\% valley contrast at room temperature in tungsten diselenide and molybdenum diselenide monolayers, respectively. Our results indicate that charged excitons in TMD monolayers can be utilized as quantum units in designing of practical valleytronic devices operating at 300 K

Electrical control of single-photon emission in highly charged individual colloidal quantum dots

Electron transfer to an individual quantum dot promotes the formation of charged excitons with enhanced recombination pathways and reduced lifetimes. Excitons with only one or two extra charges have been observed and exploited for very efficient lasing or single-quantum dot light-emitting diodes. Here, by room-temperature time-resolved experiments on individual giant-shell CdSe/CdS quantum dots, we show the electrochemical formation of highly charged excitons containing more than 12 electrons and 1 hole. We report the control over intensity blinking, along with a deterministic manipulation of quantum dot photodynamics, with an observed 210-fold increase in the decay rate, accompanied by 12-fold decrease in the emission intensity, while preserving single-photon emission characteristics. These results pave the way for deterministic control over the charge state, and room-temperature decay rate engineering for colloidal quantum dot-based classical and quantum communication technologies

Визначення механічних властивостей напірного пожежного рукава типу «Т»

Experimental research into determining the mechanical properties (elastic and dissipative) of the pressure fire hose of type «T» with an inner diameter of 66 mm under conditions of static load were presented. The experiment was conducted on the experimental setup, which makes it possible to measure force and deformation. In the course of research, a series of field experiments in stretching with the sample under conditions of static loading-unloading cycles was carried out. The tests consisted of 5 cycles (modes) of loading-unloading, which were performed with a two-minute interval. Taking into consideration the experimental data, the elasticity module at stretching the material of the hose in the longitudinal (along the base) direction was determined. It was established that numerical results of mechanical properties depend on the hose loading «history», that is, in the first two load modes, elasticity modules increased and were stabilized only in the subsequent modes. The above, along with a significant reduction in residual deformations, increases the elastic properties of the fire hose material.The results of the conducted studies showed that in the first two cycles, the material demonstrates short-term creep, which gets stabilized in modes 4–5. To generalize the experimental research, the results were approximated by corresponding trend lines. The curves of the sample deformation, which under conditions of cyclic loading-unloading formed the hysteresis loops, were determined. The hysteresis loops obtained during the study showed that in the first two modes, the loop are subjected to quantitative and qualitative changes, specifically, the slope of the hysteresis loop and its area decreases.It was determined that a change of the properties of the material of the fire hose at consecutive loading-unloading deformation cycles are reversed, the gaps between the deformation cycles result in partial restoration of the mechanical characteristics, approximating them to the initial values. Relaxation time is from several hours to several days and even weeks, which depends heavily on the magnitude of the previous relative deformationПредставлены экспериментальные исследования по определению механических свойств (упругих и диссипативных) напорного пожарного рукава типа «Т» с внутренним диаметром 66 мм в условиях статической нагрузки. Эксперимент проведен на опытной установке, которая дает возможность замера силы и деформации. В ходе работы проведен ряд натурных экспериментов на растяжение с образцом в условиях статических циклов (режимы) нагрузки-разгрузки. Испытания состояли из 5 циклов нагрузки-разгрузки, которые проводились с двухминутным интервалом. С учетом экспериментальных данных определены модуль упругости при растяжении материала рукава в продольном (вдоль основания) направлении. Установлено, что численные результаты механических свойств зависят от «истории» нагрузки рукава, то есть на первых двух режимах нагрузки модули упругости увеличивались и только потом на следующих – стабилизировались.Упомянутое, вместе с существенным уменьшением остаточных деформаций, усиливает упругие свойства материала пожарного рукава.Результаты проведенных исследований показали, что при первых двух циклах материал демонстрирует проявление кратковременной ползучести, которая стабилизируется на 4–5 режиме. Для обобщения экспериментальных исследований результаты аппроксимированы соответствующими линиями трендов. Были определены кривые деформирования образцов в условиях циклического нагрузки-разгрузки, которые формировали петли гистерезиса. Полученные петли гистерезиса в ходе исследования показали, что при первых двух режимах петли испытывают количественные и качественные изменения, а именно, уменьшается наклон петли гистерезиса и ее площадь.Установлено, что изменение свойств материала пожарного рукава при последовательных циклах деформаций нагрузки-разгрузки является обратной, промежутки между циклами деформирования приводят к частичному восстановлению механических характеристик, приближая их к исходным значениям. Время релаксации составляет от нескольких часов до нескольких суток и даже недель, в значительной степени зависит от величины предыдущей относительной деформацииПредставлені експериментальні дослідження з визначення механічних властивостей (пружних та дисипативних) напірного пожежного рукава типу «Т» із внутрішнім діаметром 66 мм в умовах статичного навантаження. Експеримент проведено на дослідній установці, яка дає можливість заміру сили та деформації. В ході роботи проведено низку натурних експериментів на розтяг зі зразком в умовах статичних циклів навантаження-розвантаження. Випробування складались з 5 циклів (режими) навантаження-розвантаження, які проводилися із двохвилинним інтервалом. З урахуванням експериментальних даних визначено модуль пружності при розтяганні матеріалу рукава у поздовжньому (вздовж основи) напрямку. Встановлено, що чисельні результати механічних властивостей залежать від «історії» навантаження рукава, тобто на перших двох режимах навантаження модулі пружності збільшувалися і лише потім на наступних – стабілізувалися. Вказане, разом із суттєвим зменшенням залишкових деформацій, посилює пружні властивості матеріалу пожежного рукава.Результати проведених досліджень показали, що при перших двох циклах матеріал демонструє прояв короткочасної повзучості, яка стабілізується на 4–5 режимі. Для узагальнення експериментальних досліджень результати апроксимовано відповідними лініями трендів. Було визначено криві деформування зразків, що в умовах циклічного навантаження-розвантаження формували петлі гістерезису. Отримані петлі гістерезису в ході дослідження показали, що при перших двох режимах петлі зазнають кількісних та якісних змін, а саме, зменшується нахил петлі гістерезису та її площа.Встановлено, що зміна властивостей матеріалу пожежного рукава при послідовних циклах деформацій навантаження-розвантаження є зворотною, проміжки між циклами деформування призводять до часткового відновлення механічних характеристик, наближаючи їх до початкових значень. Час релаксації становить від кількох годин до кількох діб і навіть тижнів, що в значній мірі залежить від величини попередньої відносної деформаці

Визначення механічних властивостей напірного пожежного рукава типу «Т»

Experimental research into determining the mechanical properties (elastic and dissipative) of the pressure fire hose of type «T» with an inner diameter of 66 mm under conditions of static load were presented. The experiment was conducted on the experimental setup, which makes it possible to measure force and deformation. In the course of research, a series of field experiments in stretching with the sample under conditions of static loading-unloading cycles was carried out. The tests consisted of 5 cycles (modes) of loading-unloading, which were performed with a two-minute interval. Taking into consideration the experimental data, the elasticity module at stretching the material of the hose in the longitudinal (along the base) direction was determined. It was established that numerical results of mechanical properties depend on the hose loading «history», that is, in the first two load modes, elasticity modules increased and were stabilized only in the subsequent modes. The above, along with a significant reduction in residual deformations, increases the elastic properties of the fire hose material.The results of the conducted studies showed that in the first two cycles, the material demonstrates short-term creep, which gets stabilized in modes 4–5. To generalize the experimental research, the results were approximated by corresponding trend lines. The curves of the sample deformation, which under conditions of cyclic loading-unloading formed the hysteresis loops, were determined. The hysteresis loops obtained during the study showed that in the first two modes, the loop are subjected to quantitative and qualitative changes, specifically, the slope of the hysteresis loop and its area decreases.It was determined that a change of the properties of the material of the fire hose at consecutive loading-unloading deformation cycles are reversed, the gaps between the deformation cycles result in partial restoration of the mechanical characteristics, approximating them to the initial values. Relaxation time is from several hours to several days and even weeks, which depends heavily on the magnitude of the previous relative deformationПредставлены экспериментальные исследования по определению механических свойств (упругих и диссипативных) напорного пожарного рукава типа «Т» с внутренним диаметром 66 мм в условиях статической нагрузки. Эксперимент проведен на опытной установке, которая дает возможность замера силы и деформации. В ходе работы проведен ряд натурных экспериментов на растяжение с образцом в условиях статических циклов (режимы) нагрузки-разгрузки. Испытания состояли из 5 циклов нагрузки-разгрузки, которые проводились с двухминутным интервалом. С учетом экспериментальных данных определены модуль упругости при растяжении материала рукава в продольном (вдоль основания) направлении. Установлено, что численные результаты механических свойств зависят от «истории» нагрузки рукава, то есть на первых двух режимах нагрузки модули упругости увеличивались и только потом на следующих – стабилизировались.Упомянутое, вместе с существенным уменьшением остаточных деформаций, усиливает упругие свойства материала пожарного рукава.Результаты проведенных исследований показали, что при первых двух циклах материал демонстрирует проявление кратковременной ползучести, которая стабилизируется на 4–5 режиме. Для обобщения экспериментальных исследований результаты аппроксимированы соответствующими линиями трендов. Были определены кривые деформирования образцов в условиях циклического нагрузки-разгрузки, которые формировали петли гистерезиса. Полученные петли гистерезиса в ходе исследования показали, что при первых двух режимах петли испытывают количественные и качественные изменения, а именно, уменьшается наклон петли гистерезиса и ее площадь.Установлено, что изменение свойств материала пожарного рукава при последовательных циклах деформаций нагрузки-разгрузки является обратной, промежутки между циклами деформирования приводят к частичному восстановлению механических характеристик, приближая их к исходным значениям. Время релаксации составляет от нескольких часов до нескольких суток и даже недель, в значительной степени зависит от величины предыдущей относительной деформацииПредставлені експериментальні дослідження з визначення механічних властивостей (пружних та дисипативних) напірного пожежного рукава типу «Т» із внутрішнім діаметром 66 мм в умовах статичного навантаження. Експеримент проведено на дослідній установці, яка дає можливість заміру сили та деформації. В ході роботи проведено низку натурних експериментів на розтяг зі зразком в умовах статичних циклів навантаження-розвантаження. Випробування складались з 5 циклів (режими) навантаження-розвантаження, які проводилися із двохвилинним інтервалом. З урахуванням експериментальних даних визначено модуль пружності при розтяганні матеріалу рукава у поздовжньому (вздовж основи) напрямку. Встановлено, що чисельні результати механічних властивостей залежать від «історії» навантаження рукава, тобто на перших двох режимах навантаження модулі пружності збільшувалися і лише потім на наступних – стабілізувалися. Вказане, разом із суттєвим зменшенням залишкових деформацій, посилює пружні властивості матеріалу пожежного рукава.Результати проведених досліджень показали, що при перших двох циклах матеріал демонструє прояв короткочасної повзучості, яка стабілізується на 4–5 режимі. Для узагальнення експериментальних досліджень результати апроксимовано відповідними лініями трендів. Було визначено криві деформування зразків, що в умовах циклічного навантаження-розвантаження формували петлі гістерезису. Отримані петлі гістерезису в ході дослідження показали, що при перших двох режимах петлі зазнають кількісних та якісних змін, а саме, зменшується нахил петлі гістерезису та її площа.Встановлено, що зміна властивостей матеріалу пожежного рукава при послідовних циклах деформацій навантаження-розвантаження є зворотною, проміжки між циклами деформування призводять до часткового відновлення механічних характеристик, наближаючи їх до початкових значень. Час релаксації становить від кількох годин до кількох діб і навіть тижнів, що в значній мірі залежить від величини попередньої відносної деформаці

TOC Figure

TOC Figur

Inducing room-temperature valley polarization of excitonic emission in transition metal dichalcogenide monolayers

Abstract The lowest energy states in transition metal dichalcogenide (TMD) monolayers follow valley selection rules, which have attracted vast interest due to the possibility of encoding and processing of quantum information. However, these quantum states are strongly affected by temperature-dependent intervalley scattering leading to complete valley depolarization, which hampers practical applications at room temperature. Therefore, for achieving clear and robust valley polarization in TMD monolayers one needs to suppress parasitic depolarization processes, which is the central challenge in the growing field of valleytronics. Here, in electron-doping experiments on TMD monolayers, we show that strong doping levels beyond 1013 cm−2 can induce 61% and 37% valley contrast at room temperature in tungsten diselenide and molybdenum diselenide monolayers, respectively. Our findings demonstrate that charged excitons in TMD monolayers hold the potential for the development of efficient valleytronic devices functional at 300 K

Metal–Dielectric Parabolic Antenna for Directing Single Photons

Quantum emitters radiate light omni-directionally, making it hard to collect and use the generated photons. Here, we propose a three-dimensional metal–dielectric parabolic antenna surrounding an individual quantum dot as a source of collimated single photons, which can then be easily extracted and manipulated. Our fabrication method relies on a single optically induced polymerization step once the selected emitter has been localized by confocal microscopy. Compared to conventional nanoantennas, our geometry does not require near-field coupling, and it is, therefore, very robust against misalignment issues and minimally affected by absorption in the metal. The parabolic antenna provides one of the largest reported experimental directivities (<i>D</i> = 106) and the lowest beam divergences (Θ_1/2 = 13.5°) and a broadband operation over all of the visible and near-infrared range together with extraction efficiency of more than 96%, offering a practical advantage for quantum technological applications