Towards coherent optical control of a single hole spin: rabi rotation of a trion conditional on the spin state of the hole

A hole spin is a potential solid-state q-bit, that may be more robust against nuclear spin induced dephasing than an electron spin. Here we propose and demonstrate the sequential preparation, control and detection of a single hole spin trapped on a self-assembled InGaAs/GaAs quantum dot. The dot is embedded in a photodiode structure under an applied electric field. Fast, triggered, initialization of a hole spin is achieved by creating a spin-polarized electron-hole pair with a picosecond laser pulse, and in an applied electric field, waiting for the electron to tunnel leaving a spin-polarized hole. Detection of the hole spin with picoseconds time resolution is achieved using a second picosecond laser pulse to probe the positive trion transition, where a trion is created conditional on the hole spin being detected as a change in photocurrent. Finally, using this setup we observe a Rabi rotation of the hole-trion transition that is conditional on the hole spin, which for a pulse area of 2 pi can be used to impart a phase shift of pi between the hole spin states, a non-general manipulation of the hole spin. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved

Вивчення когерентних властивостей екситону в напівпровідникових квантових точках

У цій роботі ми робимо огляд експериментальних методик, що використовуються при вивченні напівпровідникових квантових точок, та акцентуємо увагу на основних принципах оптичного когерентного управління екситоном. Ми обговорюємо як оптичні методи дослідження (часороздільний памппроб, контроль p-оболонки шляхом вимірювання фотолюмінесценції з s-оболонки, резонансна флюоресценція), так і фотоструму. Останній хоч і зменшує когерентність системи, але дозволяє її охарактеризувати кількісно. Особлива увага приділяється фізичним властивостям самоорганізованих квантових точок, оскільки сучасні методи їх виготовлення дозволяють отримати високоякісні наночастинки в макроскопічних кількостях. Також ми обговорюємо наші результати, отримані в процесі вимірювань спектрів випромінювання та поглинання колоїдних квантових точок CdSe. Спостерігається зсув Стокса для ансамблю наночастинок, що мають досить великий розподіл за розміром. Зроблено аналіз вторинного випромінювання наночастинок CdSe для вивчення процесів, що призводять як до цього енергетичного зсуву, так і до втрати екситоном поляризації.In this paper, we make a review of experimental techniques used in the study of semiconductor quantum dots and focus on the basic principles of optical coherent control of the exciton. We discuss both optical methods of investigation (time-resolved pump-probe, control of p-shell by measuring the photoluminescence from s-level, resonant fluorescence) and a photocurrent technique. Although the last one reduces the coherence of the system, but gives a quantitative measure of it. Special attention is applied to physical properties of self-assembled quantum dots as the methods of production which allow obtaining high-quality nanoparticles in macroscopic quantities. We also discuss our results obtained from colloidal CdSe quantum dots photoluminescence and transmission measurements, and Raman scattering spectra. We witness Stokes shift for an ensemble of nanoparticles that have a fairly broad size distribution. The analysis of the secondary radiation of the CdSe nanoparticles was done to study both processes leading to this energy shift and the loss of exciton polarization