Control of semiconductor quantum dots by tailored static and dynamic strain fields

The discovery and application of the laws of quantum mechanics has led in the past century to the “first quantum revolution”, characterized by the development of electronic devices and systems of increasing complexity that have profoundly affected our society. There is consensus that we are now approaching the threshold of a second quantum revolution, in which still unexploited resources of quantum mechanics, such as quantum entanglement, will be used to build up quantum computers and secure quantum communication systems. Photons, the quanta of light, shall play a major role in this context, as they are the only realistic quantum information carriers for connecting separate quantum systems and for transmitting quantum information. In addition, degrees of freedom of photons can be used for quantum simulation and computation tasks. Among different systems, semiconductor quantum dots (also dubbed “artificial atoms”) have emerged as one of the most promising quantum-light sources because of their capability of emitting single and entangled photons “on demand” and at high rates. Several issues with these sources have been solved, while other challenges are still open. Arguably, the major one is that the electronic structure and optical spectra of different quantum dots are affected by fluctuations stemming from stochastic processes occurring during quantum dot growth. This limited control leads to a spread in emission wavelength (hindering the use of multiple quantum dots in quantum networks and quantum photonic circuits), the poor coupling to optical modes in predefined photonic circuits, the poor performance as sources of entangled photons, and to inefficiencies due to noise sources in the solid-state environment of a quantum dot. In this thesis, we focus on the use of strain fields induced in the quantum dot after fabrication, as a tool to control specific quantum dot properties, and, conversely, we use the high strain-sensitivity of the quantum dot optical properties to detect local strain fields in mechanical resonators. Firstly, we develop novel micro-machined piezoelectric actuators featuring geometrical strain amplification to continuously tune the emission wavelength of single quantum dots in an unprecedented tuning range of about ~100 meV, corresponding to ~50.000 times the natural emission linewidth, and to reshape the optical selection rules in the studied quantum dots. Together with calculation results, our findings show a promising route to obtain quantum-light sources with ideally oriented dipoles and enhanced oscillator strength for integrated quantum photonics. Then we use the developed actuators to drive mechanical oscillations in suspended membranes. Mechanical resonances are detected by monitoring the light emission from the embedded quantum dots and their frequency tuned by applying continuously variable tensile stress through the same platform. Lastly, the propagation of sound waves in the suspended beams is studied. With quantum dots acting as optical strain sensors, the propagation and attenuation properties of Lamb waves are studied.Die Entwicklung der Quantentheorie im letzten Jahrhundert führte zu einer rasanten Entwicklung von immer komplexer werdenden elektronischen Geräten. Dieser technologische Sprung, der unsere Gesellschaft nachhaltig verändert hat, wird häufig als die „erste Quantenrevolution“ bezeichnet. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass wir uns derzeit kurz vor einem Durchbruch zu einer zweiten Quantenrevolution befinden, in der die bisher noch ungenutzten Ressourcen der Quantenmechanik, wie z. B. Verschränkung zum Bau von Quantencomputern oder Quantenkommunikationssystemen, nutzbar gemacht werden sollen. Photonische Quantenzuständen bzw. Lichtquanten werden aufgrund ihrer Eigenschaften bei der Übertragung von Quantenzuständen für Kommunikationssysteme die wichtigste Rolle spielen. Des weiteren, können diese Lichtquanten auch für den Aufbau von Quantencomputern und in weiterer folge auch für komplexe Simulationen quantenmechanischer Systeme genutzt werden. Unter den vielen verschiedenen verfügbaren Quellen von Photonen haben sich Halbleiterquantenpunkte (auch unter dem Begriff „künstliche Atome“ bekannt) als eines der vielversprechendsten Systeme etabliert, da sie auf „Knopfdruck“ ein einzelnes Photon bzw. ein einzelnes Paar verschränkter Photonen mit hoher Effizienz erzeugen können. Ein Nachteil von Quantenpunkten ist jedoch, dass sie aufgrund von statistischen Fluktuationen während der Fabrikation Unterschiede in ihren optischen und elektronischen Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist dadurch die Emissionswellenlänge verschiedener Quantenpunkte statistisch verteilt, was die Nutzung mehrere Quantenpunkte für den Aufbau photonischer Netzwerke schwierig macht. Weitere Nachteile von Quantenpunkten, die sich durch die Fabrikation ergeben sind: Die Schwierigkeit die erzeugten Photonen mit anderen optischen Systemen zu koppeln, sie haben keine gute Performance in der Erzeugung verschränkter Zuständen und sind ineffizient durch verschiedenen Störungen im umgebenden Festkörper. In dieser Arbeit werden wir spezifische Eigenschaften der Quantenpunkte nach ihrer Fabrikation, durch extern induzierten Dehnungen im Halbleitermaterial verändern. Des Weiteren werden wir die dadurch induzierte Änderung der optischen Eigenschaften im Quantenpunkt dazu verwenden um lokale Dehnungsfelder in einem mechanischen Resonator zu detektieren. Als Erstes haben wir einen neuartigen piezoelektrischen Aktuator entwickelt, der uns eine kontinuierliche Änderung in der Emissionswellenlänge des Quantenpunktes über einen Bereich von ca. 100 meV erlaubt, was ca. 50.000 mal der natürlichen Linienbreite der Quantenpunktemission entspricht. Zusätzlich erlaubt es uns dieser Aktuator die optischen Auswahlregeln der Quantenpunkte zu verändern. Unsere Experimentellen sowie theoretischen Ergebnisse zeigen Möglichkeiten auf Quantenpunkte in ihren optischen Eigenschaften so zu verändern, dass sie in integrierten optischen Schaltungen, als Quelle quantenmechanischer Photonische Zustände eingesetzt werden können. In weiteren Experimenten haben wir unseren Aktuator dazu verwendet mechanische Oszillationen in einer frei stehenden Membran zu induzieren. Eine Messung der Lichtemission der in der Membran befindlichen Quantenpunkte erlaubt es uns die mechanischen Resonanzen des Systems zu bestimmen. Zusätzlich konnten wir die Ausbreitung von Schallwellen in den Membranen studieren. Die Verwendung von Quantenpunkten als Sensor für mechanische Spannungen erlaubt es uns außerdem das Dämpfungsverhalten von Lamb-Wellen studieren

A frequency-tunable nanomembrane mechanical oscillator with embedded quantum dots

Hybrid systems consisting of a quantum emitter coupled to a mechanical oscillator are receiving increasing attention for fundamental science and potential applications in quantum technologies. In contrast to most of the presented works, in which the oscillator eigenfrequencies are irreversibly determined by the fabrication process, we present here a simple approach to obtain frequency-tunable mechanical resonators based on suspended nanomembranes. The method relies on a micromachined piezoelectric actuator, which we use both to drive resonant oscillations of a suspended Ga(Al)As membrane with embedded quantum dots and to fine tune their mechanical eigenfrequencies. Specifically, we excite oscillations with frequencies of at least 60 MHz by applying an AC voltage to the actuator and tune the eigenfrequencies by at least 25 times their linewidth by continuously varying the elastic stress state in the membranes through a DC voltage. The light emitted by optically excited quantum dots is used as sensitive local strain gauge to monitor the oscillation frequency and amplitude. We expect that our method has the potential to be applicable to other optomechanical systems based on dielectric and semiconductor membranes possibly operating in the quantum regime.Comment: 17 pages, 4 figure

GaAs quantum dots under quasi-uniaxial stress: experiment and theory

The optical properties of excitons confined in initially-unstrained GaAs/AlGaAs quantum dots are studied as a function of a variable quasi-uniaxial stress. To allow the validation of state-of-the-art computational tools for describing the optical properties of nanostructures, we determine the quantum dot morphology and the in-plane components of externally induced strain tensor at the quantum dot positions. Based on these experimentally determined parameters, we calculate the strain-dependent excitonic emission energy, degree of linear polarization, and fine-structure splitting using a combination of eight-band ${\bf k}\cdot{\bf p}$ formalism with multiparticle corrections using the configuration interaction method. The presented experimental observations are quantitatively well reproduced by our calculations

Strain-Tuning of the Optical Properties of Semiconductor Nanomaterials by Integration onto Piezoelectric Actuators

The tailoring of the physical properties of semiconductor nanomaterials by strain has been gaining increasing attention over the last years for a wide range of applications such as electronics, optoelectronics and photonics. The ability to introduce deliberate strain fields with controlled magnitude and in a reversible manner is essential for fundamental studies of novel materials and may lead to the realization of advanced multi-functional devices. A prominent approach consists in the integration of active nanomaterials, in thin epitaxial films or embedded within carrier nanomembranes, onto Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-based piezoelectric actuators, which convert electrical signals into mechanical deformation (strain). In this review, we mainly focus on recent advances in strain-tunable properties of self-assembled InAs quantum dots embedded in semiconductor nanomembranes and photonic structures. Additionally, recent works on other nanomaterials like rare-earth and metal-ion doped thin films, graphene and MoS2 or WSe2 semiconductor two-dimensional materials are also reviewed. For the sake of completeness, a comprehensive comparison between different procedures employed throughout the literature to fabricate such hybrid piezoelectric-semiconductor devices is presented. Very recently, a novel class of micro-machined piezoelectric actuators have been demonstrated for a full control of in-plane stress fields in nanomembranes, which enables producing energy-tunable sources of polarization-entangled photons in arbitrary quantum dots. Future research directions and prospects are discussed.Comment: review manuscript, 78 pages, 27 figure

A source of entangled photons based on a cavity-enhanced and strain-tuned GaAs quantum dot

A quantum-light source that delivers photons with a high brightness and a high degree of entanglement is fundamental for the development of efficient entanglement-based quantum-key distribution systems. Among all possible candidates, epitaxial quantum dots are currently emerging as one of the brightest sources of highly entangled photons. However, the optimization of both brightness and entanglement currently requires different technologies that are difficult to combine in a scalable manner. In this work, we overcome this challenge by developing a novel device consisting of a quantum dot embedded in a circular Bragg resonator, in turn, integrated onto a micromachined piezoelectric actuator. The resonator engineers the light-matter interaction to empower extraction efficiencies up to 0.69(4). Simultaneously, the actuator manipulates strain fields that tune the quantum dot for the generation of entangled photons with fidelities up to 0.96(1). This hybrid technology has the potential to overcome the limitations of the key rates that plague current approaches to entanglement-based quantum key distribution and entanglement-based quantum networks. Introductio

Control of semiconductor quantum dots by tailored static and dynamic strain fields

The discovery and application of the laws of quantum mechanics has led in the past century to the “first quantum revolution”, characterized by the development of electronic devices and systems of increasing complexity that have profoundly affected our society. There is consensus that we are now approaching the threshold of a second quantum revolution, in which still unexploited resources of quantum mechanics, such as quantum entanglement, will be used to build up quantum computers and secure quantum communication systems. Photons, the quanta of light, shall play a major role in this context, as they are the only realistic quantum information carriers for connecting separate quantum systems and for transmitting quantum information. In addition, degrees of freedom of photons can be used for quantum simulation and computation tasks. Among different systems, semiconductor quantum dots (also dubbed “artificial atoms”) have emerged as one of the most promising quantum-light sources because of their capability of emitting single and entangled photons “on demand” and at high rates. Several issues with these sources have been solved, while other challenges are still open. Arguably, the major one is that the electronic structure and optical spectra of different quantum dots are affected by fluctuations stemming from stochastic processes occurring during quantum dot growth. This limited control leads to a spread in emission wavelength (hindering the use of multiple quantum dots in quantum networks and quantum photonic circuits), the poor coupling to optical modes in predefined photonic circuits, the poor performance as sources of entangled photons, and to inefficiencies due to noise sources in the solid-state environment of a quantum dot. In this thesis, we focus on the use of strain fields induced in the quantum dot after fabrication, as a tool to control specific quantum dot properties, and, conversely, we use the high strain-sensitivity of the quantum dot optical properties to detect local strain fields in mechanical resonators. Firstly, we develop novel micro-machined piezoelectric actuators featuring geometrical strain amplification to continuously tune the emission wavelength of single quantum dots in an unprecedented tuning range of about ~100 meV, corresponding to ~50.000 times the natural emission linewidth, and to reshape the optical selection rules in the studied quantum dots. Together with calculation results, our findings show a promising route to obtain quantum-light sources with ideally oriented dipoles and enhanced oscillator strength for integrated quantum photonics. Then we use the developed actuators to drive mechanical oscillations in suspended membranes. Mechanical resonances are detected by monitoring the light emission from the embedded quantum dots and their frequency tuned by applying continuously variable tensile stress through the same platform. Lastly, the propagation of sound waves in the suspended beams is studied. With quantum dots acting as optical strain sensors, the propagation and attenuation properties of Lamb waves are studied.Die Entwicklung der Quantentheorie im letzten Jahrhundert führte zu einer rasanten Entwicklung von immer komplexer werdenden elektronischen Geräten. Dieser technologische Sprung, der unsere Gesellschaft nachhaltig verändert hat, wird häufig als die „erste Quantenrevolution“ bezeichnet. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass wir uns derzeit kurz vor einem Durchbruch zu einer zweiten Quantenrevolution befinden, in der die bisher noch ungenutzten Ressourcen der Quantenmechanik, wie z. B. Verschränkung zum Bau von Quantencomputern oder Quantenkommunikationssystemen, nutzbar gemacht werden sollen. Photonische Quantenzuständen bzw. Lichtquanten werden aufgrund ihrer Eigenschaften bei der Übertragung von Quantenzuständen für Kommunikationssysteme die wichtigste Rolle spielen. Des weiteren, können diese Lichtquanten auch für den Aufbau von Quantencomputern und in weiterer folge auch für komplexe Simulationen quantenmechanischer Systeme genutzt werden. Unter den vielen verschiedenen verfügbaren Quellen von Photonen haben sich Halbleiterquantenpunkte (auch unter dem Begriff „künstliche Atome“ bekannt) als eines der vielversprechendsten Systeme etabliert, da sie auf „Knopfdruck“ ein einzelnes Photon bzw. ein einzelnes Paar verschränkter Photonen mit hoher Effizienz erzeugen können. Ein Nachteil von Quantenpunkten ist jedoch, dass sie aufgrund von statistischen Fluktuationen während der Fabrikation Unterschiede in ihren optischen und elektronischen Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist dadurch die Emissionswellenlänge verschiedener Quantenpunkte statistisch verteilt, was die Nutzung mehrere Quantenpunkte für den Aufbau photonischer Netzwerke schwierig macht. Weitere Nachteile von Quantenpunkten, die sich durch die Fabrikation ergeben sind: Die Schwierigkeit die erzeugten Photonen mit anderen optischen Systemen zu koppeln, sie haben keine gute Performance in der Erzeugung verschränkter Zuständen und sind ineffizient durch verschiedenen Störungen im umgebenden Festkörper. In dieser Arbeit werden wir spezifische Eigenschaften der Quantenpunkte nach ihrer Fabrikation, durch extern induzierten Dehnungen im Halbleitermaterial verändern. Des Weiteren werden wir die dadurch induzierte Änderung der optischen Eigenschaften im Quantenpunkt dazu verwenden um lokale Dehnungsfelder in einem mechanischen Resonator zu detektieren. Als Erstes haben wir einen neuartigen piezoelektrischen Aktuator entwickelt, der uns eine kontinuierliche Änderung in der Emissionswellenlänge des Quantenpunktes über einen Bereich von ca. 100 meV erlaubt, was ca. 50.000 mal der natürlichen Linienbreite der Quantenpunktemission entspricht. Zusätzlich erlaubt es uns dieser Aktuator die optischen Auswahlregeln der Quantenpunkte zu verändern. Unsere Experimentellen sowie theoretischen Ergebnisse zeigen Möglichkeiten auf Quantenpunkte in ihren optischen Eigenschaften so zu verändern, dass sie in integrierten optischen Schaltungen, als Quelle quantenmechanischer Photonische Zustände eingesetzt werden können. In weiteren Experimenten haben wir unseren Aktuator dazu verwendet mechanische Oszillationen in einer frei stehenden Membran zu induzieren. Eine Messung der Lichtemission der in der Membran befindlichen Quantenpunkte erlaubt es uns die mechanischen Resonanzen des Systems zu bestimmen. Zusätzlich konnten wir die Ausbreitung von Schallwellen in den Membranen studieren. Die Verwendung von Quantenpunkten als Sensor für mechanische Spannungen erlaubt es uns außerdem das Dämpfungsverhalten von Lamb-Wellen studieren

Moduar Form Aprroach to Solving Lattice Problems

We construct new randomized algorithms to find the exact solution to the shortest and closest vector problems (SVP and CVP) in Euclidean norm (l2) for the integral lattice. Not only the minimal norm of non-zero lattice vectors in SVP and the minimal distance in CVP, but also how many lattice vectors reach those minimums can be simultaneously computed by the algorithms. Our approach is based on some special properties of the generating function of lattice vectors’ (l2-)norms, the lattice-associated theta function, which is used in prior works mainly for hardness analysis on lattice problems but rarely for computational purposes. Such function’s modular properties are exploited to develop our SVP and CVP solvers. In computational complexity perspective and take our SVP solver as an example, for the integral lattice family {Λn} of dimension dimΛn=n and level h=l(Λn) (the minimal positive integer such that the dual lattice Λn* scaled by h1/2 is integral) polynomial in n, the case frequently occurring in applications, this algorithm can find the minimal l2-norm of non-zero lattice vectors and the number of such shortest vectors in Λn with success probability 1-ε in asymptotic space complexity of polynomial in n and asymptotic time complexity of nO(n)log(1/ε). The only contribution to the algorithm’s exponential time complexity nO(n)log(1/ε) comes from independently repeating a randomized lattice vector sampler nO(n)log(1/ε) times. All the rest of operations contribute to the algorithm’s time-complexity only with an additive polynomial in n. Similar situations occur when solving the exact CVP by our algorithm. In other words, our solvers can be easily parallelized to be polynomial in time complexity. In addition, a variant of our CVP solver can solve the closest vector problem with preprocessing (CVPP) in polynomial time and nO(n)log(1/ε) space complexity

A Mechanically Controlled Switchable Wideband Frequency–Selective Rasorber/Absorber

A mechanically controlled switchable wideband frequency–selective rasorber/absorber, with the transmission window inside the absorption band, based on a frequency–selective surface and a rotatable metal plate, is presented in this paper. The absorption of the switchable rasorber/absorber is over 90%, from 3.9 GHz to 11.77 GHz, when the rotatable metal plate is parallel to the rest of the layers, and its transmission coefficient can reach up to 0.62 at 11.6 GHz, with the rotatable metal plate perpendicular to the rest of the layers. The mechanism of wideband absorption and transmission are explained by monitoring and analyzing the surface current distribution at the absorption and transmission frequencies. The control method is simple, reliable and accurate. It has application value in communication and radar stations