Kropki kwantowe jako nieklasyczne rda wiata Jan Gaj

Kropki kwantowe jako nieklasyczne źródła światła Jan Gaj Instytut Fizyki Doświadczalnej 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Plan • • • Motywacja Jak się robi i ogląda kropki kwantowe? Skale czasu Splątane fotony z kropki: stan badań Wzbudzenie: pojedynczo czy parami? Splątanie i rola anizotropii Pamięć spinowa Transfer energii i spinu między kropkami Kropka z jednym jonem magnetycznym Podsumowanie 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Splątane fotony przesyłają pieniądze Photonics Research June 2004 Edition Researchers at Universität Wien and the Austrian Academy of Sciences in Vienna, Austria, the Austrian Research Center in Seibersdorf and Ludwig Maximilians Universität in Munich, Germany, have demonstrated a new way to put valuables under lock and key. The group recently reported the transfer of € 3000 over a 1. 45 -km link between Vienna City Hall and the headquarters of Bank-Austria Creditanstalt using quantum cryptography. 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Splątane fotony przesyłają pieniądze Anton Zeilinger A code key generated via quantum key distribution has been used to ensure a completely secure wire transfer. The setup relies on the production of entangled photon pairs by spontaneous parametric down-conversion in a nonlinear crystal. 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Polarization entangled photon pairs z 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Komputer kwantowy 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Jak wytworzyć splątane fotony? A. Zeilinger, Scientific American, April 2000 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Dlaczego półprzewodniki? • • Małe rozmiary i zużycie energii Integracja z mikroelektroniką Dobrze rozwinięta technologia Źródło splątanych fotonów: kropka kwantowa (jedna!) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

MBE Epitaksja z wiązki molekularnej 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Aparatura MBE 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Studnia kwantowa: rezonator jednowymiarowy Jak flet prosty 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Dyfrakcja elektronów RHEED 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

„dobry” i „zły” obraz RHEED 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

MBE - możliwości jak nigdy przedtem • Studnie kwantowe • Możliwość zmiany składu warstwy z precyzją ułamka nanometra • Atomowo gładkie powierzchnie • Ale. . . 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Nieudany wzrost MBE: warstwa nie pasuje do podłoża Volmer-Weber 4 października 2007 Stranski-Krastanov Seminarium KMMF Warszawa Frank-van der Merwe

Kropka kwantowa: rezonator trójwymiarowy Jak okaryna Skutek: widma liniowe kropek (jak w atomach) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Oglądanie kropek: AFM Pierwowzór: igła gramofonu 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Mikroskop AFM 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Kropki kwantowe 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Jedna kropka In. As/Ga. As 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa D. M. Bruls et al. , 2001

Kwazicząstki w półprzewodniku ----elektron nośniki ładunku elektrycznego +++++ trion biekscyton CX XX ekscyton X (w paśmie przewodnictwa) (Wanniera - Motta) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa dziura (w paśmie walencyjnym)

Splątane fotony z kropki kwantowej Metoda: kaskada biekscyton - ekscyton Kłopot: anizotropia Biekscyton Ekscyton Pusta kropka 4 października 2007 Zniesiona degeneracja Polaryzacje liniowe Nie ma splątania Seminarium KMMF Warszawa

Weryfikacja: korelacje fotonów Korelacja drugiego rzędu: prawdopodobieństwo detekcji drugiego fotonu gdy pierwszy wykryto w = 0 Test splątania: skorelowana polaryzacja (liniowa i kołowa) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Już zrobione Do zrobienia • Pary splątanych fotonów z kropki kw. (In. As, 2006) • Opanowanie emisji par fotonów splątanych – Kompensacja anizotropii polem magnetycznym 1 – Selekcja spektralna 2 • Wyższe temperatury • Szerszy zakres energii fotonów 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa 1 Young et al. , 2006 2 Akopian et al. , 2006

Co badamy? Jakimi narzędziami? (w jednej kropce) (techniki doświadczalne) • Dynamika obsadzeń – stany ładunkowe – stany spinowe • Testy splątania • Symetria – pomiar – sterowanie • Sprzężenie kropek • Z ostatniej chwili: jeden jon manganu 4 października 2007 • Mikroluminescencja • Pobudzenie dwuimpulsowe • Korelacje fotonów • Widma wzbudzenia > Rola polaryzacji > Źródła strojone > Rozdzielczość czasowa Seminarium KMMF Warszawa

Próbki z kropkami II-VI • wytworzone w IF PAN Cd. Te QD Zn. Te ← 50 nm ← 2 6 ml Cd. Te Ga. As 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa P. Wojnar et al. , 2004

Mikrofotoluminescencja kropek kwantowych single QD emission Mikroskop (rozdzielczość <1 m) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Czasy charakterystyczne < 1 ps: generacja par elektron - dziura ~ 10 ps: pułapkowanie w kropce < 1 ns: rekombinacja promienista >> 10 ns: 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa pamięć spinowa

Pobudzenie dwuimpulsowe Zwierciadło Płytka światłodzieląca 13. 2 ns Z lasera opóźnienie Zwierciadło przesuwane Do próbki 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa B. Piechal et al. , 2005

Time-integrated PL intensity Pobudzenie dwuimpulsowe X Re ko mb CX Pu łap ina XX ko cja ien wa nie pro m no ist śn ikó a w Delay (ps) Wniosek: niejednoczesne pułapkowanie elektronów i dziur 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa B. Piechal et al. , 2005

Układ Hanbury-Browna i Twissa próbka kriostat (pole magnetyczne do 8 T) wzbudzenie: impuls <1 ps okres 6. 6 ns = 401 nm mikroskop Optyka polaryzacyjna CCD spektrografy Diody lawinowe 4 października 2007 CCD START STOP Zliczanie koincydencji Seminarium KMMF Warszawa

Układ Hanbury-Browna i Twissa a r e s a l od do próbki 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Dynamika stanu ładunkowego: korelacje trion (CX) – ekscyton (X) START CX STOP X <0 ↔ CX po X czas >0 ↔ X po CX STOP CX 4 października 2007 czas START X Seminarium KMMF Warszawa J. Suffczyński et al. , PRB 2006

Komplet korelacji Parametry dopasowania - prawdopodobieństwa pułapkowania nośników: α = 0. 86 β = 0. 80 ekscytonu: ξ = 0. 26 4 października 2007 J. Suffczyński et al. , PRB 2006 X ka ad k s a X X Seminarium KMMF Warszawa (kolejność START − STOP dla > 0)

Testy splątania, B = 0 XX B=0 V H X AES V H wniosek: brak splątania, o polaryzacji emisji decyduje anizotropia 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa J. Suffczyński et al. , 2007

Wpływ pola magnetycznego (konfiguracja Faradaya) B > 0, B||z B=0 biekscyton V H ekscyton AES V + + - ~g. X BB H pusta kropka 4 października 2007 - Seminarium KMMF Warszawa

Testy splątania, B = 5 T wniosek: brak splątania, o polaryzacji emisji decyduje efekt Zeemana 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa J. Suffczyński et al. , 2007

Pomiar małego rozszczepienia anizotropowego 350 300 200 Angle (deg) 250 100 50 0 2. 229 2. 231 Energy Seminarium KMMF Warszawa AES = 0. 164 me. V 2. 23 Energy (e. V) 4 października 2007

Pole elektryczne i anizotropia 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa K. Kowalik et al. (2007)

Precyzyjniej: orientacja optyczna ? foton Pusta kropka Ekscyton 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa K. Kowalik et al. (2007)

Pole magnetyczne i anizotropia • model • eksperyment -PL Angle J-2 f [rad] B=0 AES [me. V] 1. 8904 1. 891 Energy [e. V] [me. V] 0. 45 p 2 0 0. 18 0. 14 0 0 2 4 6 8 Magnetic Field [T] 10 0 2 4 Magnetic field [T] 4 października 2007 6 Wzrost lub spadek rozszczepienia, zależnie od kierunku pola Seminarium KMMF Warszawa K. Kowalik et al. , PRB 2007

Mechanizm wpływu pola magnetycznego na anizotropowe rozszczepienie wymienne Mieszanie lekkich i ciężkich dziur dodatnie ujemne symetria kubiczna p 2 0 0 2 4 6 Magnetic Field [T] 4 października 2007 8 10 Angle J-2 f [rad] [me. V] p 2 0 0 2 4 6 8 10 Magnetic Field [T] 0. 45 p 2 0 0 0 2 4 6 8 10 Magnetic Field [T] Seminarium KMMF Warszawa K. Kowalik et al. , 2007

Pamięć spinowa? CX - X + czas narzędzie: korelacja CX – X 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa J. Suffczyński et al. , 2007

CX-X, B = 5 T pamięć spinowa Czas relaksacji spinowej znacznie dłuższy od okresu repetycji 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa J. Suffczyński et al. , 2007

Sprzężenie między kropkami: widmo wzbudzenia Ostre rezonanse w pobudzanej kropce 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa T. Kazimierczuk et al. , 2007

Excitation energy (me. V) Wspólny rezonans dla różnych stanów ładunkowych kropki świecącej PL energy (me. V) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa T. Kazimierczuk et al. , 2007

Excitation energy (me. V) Różna orientacja anizotropii +45º -45º PL energy (me. V) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa T. Kazimierczuk et al. , 2007

Efekt Zeemana we wzbudzeniu 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa T. Kazimierczuk et al. , 2007

UX X posi ti tive CX posi Exc. energy (me. V) tive nega XX ve Orientacja optyczna w polu 5 T 2074. 2 2074. 0 + 2073. 8 - 2073. 6 2073. 4 1965 1970 1975 Emission energy (me. V) 1980 - + Transfer spinu między kropkami 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Exc. energy (me. V) Optical orientation at 5 T XX CX UX X 2074. 2 2074. 0 2073. 8 2073. 6 2073. 4 1965 1970 1975 1980 Emission energy (me. V) Emission polarization degree Excitation polarization + - X 0. 23 -0. 17 UX 0. 77 -0. 65 CX -0. 55 0. 37 XX -0. 02 -0. 03 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Z ostatniej chwili: jeden jon Mn 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa A. Golnik, S. Czajka, et al. , 2007

Podsumowanie X = Þ O polaryzacji emisji decyduje anizotropia lub efekt Zeemana Þ Szybkie pułapkowanie nośników Þ Zmiany stanu ładunkowego Þ Pamięć spinowa Þ Transfer energii i spinu między kropkami Þ Kropki z jednym jonem manganu 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Podsumowanie • Półprzewodnikowa kropka kwantowa: wiele możliwości zastosowania • Dynamika w zakresie od ps do wielu ns • Anizotropia: przeszkoda na drodze do fotonów splątanych • Rada: pole elektryczne, magnetyczne? • Spin w kropkach: pamięć, transfer, Mn 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Współpraca • Uniwersytet Warszawski S. Czajka, M. Goryca, T. Kazimierczuk, K. Kowalik, B. Piechal, J. Suffczyński, A. Golnik, P. Kossacki, M. Nawrocki • IF PAN P. Wojnar, J. Kossut • CNRS Marcoussis A. Lemaitre, O. Krebs, S. Laurent, P. Senellart, P. Voisin 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Dziękuję za uwagę 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa