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

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 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

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

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 Stranski-Krastanov Frank-van der Merwe 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

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

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

Seminarium KMMF Warszawa Mikroskop AFM 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Seminarium KMMF Warszawa Kropki kwantowe 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Jedna kropka InAs/GaAs 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa D.M. Bruls et al., 2001

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

Splątane fotony z kropki kwantowej Metoda: kaskada biekscyton - ekscyton Kłopot: anizotropia Biekscyton Ekscyton Pusta kropka Zniesiona degeneracja Polaryzacje liniowe Nie ma splątania 4 października 2007 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. (InAs, 2006) Kompensacja anizotropii polem magnetycznym1 Selekcja spektralna2 Opanowanie emisji par fotonów splątanych Wyższe temperatury Szerszy zakres energii fotonów 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa 1Young et al., 2006 2Akopian et al., 2006

Seminarium KMMF Warszawa 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 Mikroluminescencja Pobudzenie dwuimpulsowe Korelacje fotonów Widma wzbudzenia > Rola polaryzacji > Źródła strojone > Rozdzielczość czasowa 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Próbki z kropkami II-VI wytworzone w IF PAN CdTe QD ← 50 nm ZnTe ← 2  6 ml CdTe CdTe GaAs 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: pamięć spinowa 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Pobudzenie dwuimpulsowe Zwierciadło 13.2 ns Płytka światłodzieląca Z lasera opóźnienie Zwierciadło przesuwane Do próbki 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa B. Piechal et al., 2005

Pobudzenie dwuimpulsowe X Rekombinacja promienista Time-integrated PL intensity CX Pułapkowanie nośników XX Delay (ps) Wniosek: niejednoczesne pułapkowanie elektronów i dziur 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa B. Piechal et al., 2005

Układ Hanbury-Browna i Twissa kriostat próbka (pole magnetyczne do 8T) wzbudzenie: impuls <1ps okres 6.6ns  = 401nm mikroskop Optyka polaryzacyjna CCD CCD spektrografy Diody lawinowe STOP START Zliczanie koincydencji 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Układ Hanbury-Browna i Twissa od lasera do próbki 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

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

Seminarium KMMF Warszawa Komplet korelacji Parametry dopasowania prawdopodobieństwa pułapkowania nośników: α = 0.86 β = 0.80 ekscytonu: ξ = 0.26 kaskada XX-X 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa (kolejność START − STOP dla  > 0) J. Suffczyński et al., PRB 2006

Seminarium KMMF Warszawa Testy splątania, B = 0 H V B = 0 XX AES X 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 > 0, B||z biekscyton V H - + ekscyton AES ~gXBB V H + - pusta kropka 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

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 2.229 2.23 2.231 50 100 150 200 250 300 350 Energy Angle Angle (deg) Energy (eV) AES = 0.164 meV 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

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

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

Pole magnetyczne i anizotropia Magnetic field [T] AES [meV] 2 4 6 0.10 0.14 0.18 1.8904 1.891 Energy [eV] m -PL B=0 eksperyment model 2 4 6 8 10 Magnetic Field [T] [meV] 0.45 p Angle J-2f [rad] Wzrost lub spadek rozszczepienia, zależnie od kierunku pola 4 października 2007 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 [meV] 0.45 2 4 6 8 10 Magnetic Field [T] p Angle J-2f [rad] 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa K. Kowalik et al., 2007

Seminarium KMMF Warszawa Pamięć spinowa? CX X s- s+ 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

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

Różna orientacja anizotropii +45º -45º Excitation energy (meV) PL energy (meV) 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

Orientacja optyczna w polu 5 T XX CX UX X negative positive positive 2074.2 + - 2074.0 + Exc. energy (meV) 2073.8 2073.6 - 2073.4 1965 1970 1975 1980 Emission energy (meV) Transfer spinu między kropkami 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

Optical orientation at 5 T XX CX UX X 2074.2 2074.0 Exc. energy (meV) 2073.8 2073.6 2073.4 1965 1970 1975 1980 Emission energy (meV) 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

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

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

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

Seminarium KMMF Warszawa Dziękuję za uwagę 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa