@phdthesis{Maier2017,
  author    = {Maier, Sebastian},
  title     = {Quantenpunktbasierte Einzelphotonenquellen und Licht-Materie-Schnittstellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-152972},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Die Quanteninformationstechnologie ist ein Schwerpunkt intensiver weltweiter Forschungsarbeit, da sie L{\"o}sungen f{\"u}r aktuelle globale Probleme verspricht. So bietet die Quantenkommunikation (QKD, engl. quantum key distribution) absolut abh{\"o}rsichere Kommunikationsprotokolle und k{\"o}nnte, mit der Realisierung von Quantenrepeatern, auch {\"u}ber große Distanzen zum Einsatz kommen. Quantencomputer (engl. quantum computing) k{\"o}nnten von Nutzen sein, um sehr schwierige und komplexe mathematische Probleme schneller zu l{\"o}sen. Ein grundlegender kritischer Baustein der gesamten halbleiterbasierten Quanteninformationsverarbeitung (QIP, engl. quantum information processing) ist die Bereitstellung von Proben, die einerseits die geforderten physikalischen Eigenschaften aufweisen und andererseits den Anforderungen der komplexen Messtechnik gen{\"u}gen, um die Quanteneigenschaften nachzuweisen und technologisch nutzbar machen zu k{\"o}nnen. In halbleiterbasierten Ans{\"a}tzen haben sich Quantenpunkte als sehr vielversprechende Kandidaten f{\"u}r diese Experimente etabliert. Halbleiterquantenpunkte weisen große {\"A}hnlichkeiten zu einzelnen Atomen auf, die sich durch diskrete Energieniveaus und diskrete Spektrallinien im Emissionsspektrum manifestieren, und zeichnen sich {\"u}berdies als exzellente Emitter f{\"u}r einzelne und ununterscheidbare Photonen aus. Außerdem k{\"o}nnen mit Quantenpunkten zwei kritische Bausteine in der Quanteninformationstechnologie abgedeckt werden. So k{\"o}nnen station{\"a}re Quantenbits (Qubits) in Form von Elektronenspinzust{\"a}nden gespeichert werden und mittels Spin-Photon-Verschr{\"a}nkung weit entfernte station{\"a}re Qubits {\"u}ber fliegende photonische Qubits verschr{\"a}nkt werden. Die Herstellung und Charakterisierung von quantenpunktbasierten Halbleiterproben, die sich durch definierte Eigenschaften f{\"u}r Experimente in der QIP auszeichnen, steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Die Basis f{\"u}r das Probenwachstum bildet dabei das Materialsystem von selbstorganisierten In(Ga)As-Quantenpunkten auf GaAs-Substraten. Die Herstellung der Quantenpunktproben mittels Molekularstrahlepitaxie erm{\"o}glicht h{\"o}chste kristalline Qualit{\"a}ten und bietet die M{\"o}glichkeit, die Quantenemitter in photonische Resonatoren zu integrieren. Dadurch kann die Lichtauskoppeleffizienz stark erh{\"o}ht und die Emission durch Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung verst{\"a}rkt werden. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene In(Ga)As-Quantenpunktproben mit definierten Anforderungen mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt und deren morphologische und optische Eigenschaften untersucht. F{\"u}r die Charakterisierung der Morphologie kamen Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz. Die optischen Eigenschaften wurden mit Hilfe der Reflektions-, Photolumineszenz- und Resonanzfluoreszenz-Spektroskopie sowie Autokorrelationsmessungen zweiter Ordnung ermittelt. Der Experimentalteil der Arbeit ist in drei Kapitel unterteilt, deren Kerninhalte im Folgenden kurz wiedergegeben werden. Quasi-Planare Einzelphotonenquelle mit hoher Extraktionseffizienz: Planare quantenpunktbasierte Einzelphotonenquellen mit hoher Extraktionseffizienz sind f{\"u}r Experimente zur Spinmanipulation von herausragender Bedeutung. Elektronen- und Lochspins haben sich als gute Kandidaten erwiesen, um gezielt einzelne Elektronenspins zu initialisieren, manipulieren und zu messen. Ein einzelner Quantenpunkt muss einfach geladen sein, damit er im Voigt-Magnetfeld ein λ-System bilden kann, welches die grundlegende Konfiguration f{\"u}r Experimente dieser Art darstellt. Wichtig sind hier einerseits eine stabile Spinkonfiguration mit langer Koh{\"a}renzzeit und andererseits hohe Lichtauskoppeleffizienzen. Quantenpunkte in planaren Mikrokavit{\"a}ten weisen gr{\"o}ßere Werte f{\"u}r die Spindephasierungszeit auf als Mikro- und Nanot{\"u}rmchenresonatoren, dagegen ist bei planaren Proben die Lichtauskoppeleffizienz geringer. In diesem Kapitel wird eine quasi-planare quantenpunktbasierte Quelle f{\"u}r einzelne (g(2)(0)=0,023) und ununterscheidbare Photonen (g(2)indist (0)=0,17) mit hoher Reinheit vorgestellt. Die Quantenpunktemission weist eine sehr hohe Intensit{\"a}t und optische Qualit{\"a}t mit Halbwertsbreiten nahe der nat{\"u}rlichen Linienbreite auf. Die Auskoppeleffizienz wurde zu 42\% f{\"u}r reine Einzelphotonenemission bestimmt und {\"u}bersteigt damit die, f{\"u}r eine planare Resonatorstruktur erwartete, Extraktionseffizienz (33\%) deutlich. Als Grund hierf{\"u}r konnte die Kopplung der Photonenemission an Gallium-induzierte, Gauß-artige Defektstrukturen ausgemacht werden. Mithilfe morphologischer Untersuchungen und Simulationen wurde gezeigt, dass diese Defektkavit{\"a}ten einerseits als Nukleationszentren f{\"u}r das Quantenpunktwachstum dienen und andererseits die Extraktion des emittierten Lichts der darunterliegenden Quantenpunkte durch Lichtb{\"u}ndelung verbessern. In weiterf{\"u}hrenden Arbeiten konnte an dieser spezifischen Probe der fundamentale Effekt der Verschr{\"a}nkung von Elektronenspin und Photon nachgewiesen werden, der einen kritischen Baustein f{\"u}r halbleiterbasierte Quantenrepeater darstellt. Im Rahmen dieses Experiments war es m{\"o}glich, die komplette Tomographie eines verschr{\"a}nkten Spin-Photon-Paares an einer halbleiterbasierten Spin-Photon Schnittstelle zu messen. {\"U}berdies konnte Zweiphotoneninterferenz und Ununterscheidbarkeit von Photonen aus zwei r{\"a}umlich getrennten Quantenpunkten auf diesem Wafer gemessen werden, was ebenfalls einen kritischen Baustein f{\"u}r Quantenrepeater darstellt. Gekoppeltes Quantenfilm-Quantenpunkt System: Weitere Herausforderungen f{\"u}r optisch kontrollierte halbleiterbasierte Spin-Qubit-Systeme sind das schnelle und zerst{\"o}rungsfreie Auslesen der Spin-Information sowie die Implementierung eines skalierbaren Ein-Qubit- und Zwei-Qubit-Gatters. Ein k{\"u}rzlich ver{\"o}ffentlichtes theoretisches Konzept k{\"o}nnte hierzu einen eleganten Weg er{\"o}ffnen: Hierbei wird die spinabh{\"a}ngige Austauschwechselwirkung zwischen einem Elektron-Spin in einem Quantenpunkt und einem Exziton-Polariton-Gas, welches in einem nahegelegenen Quantenfilm eingebettet ist, ausgen{\"u}tzt. So k{\"o}nnte die Spin-Information zerst{\"o}rungsfrei ausgelesen werden und eine skalierbare Wechselwirkung zwischen zwei Qubits {\"u}ber gr{\"o}ßere Distanzen erm{\"o}glicht werden, da sich die Wellenfunktion von Exziton-Polaritonen, abh{\"a}ngig von der G{\"u}te des Mikroresonators, {\"u}ber mehrere μm ausdehnen kann. Dies und weitere m{\"o}gliche Anwendungen machen das gekoppelte Quantenfilm-Quantenpunkt System sehr interessant, weshalb eine grundlegende experimentelle Untersuchung dieses Systems w{\"u}nschenswert ist. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um Yoshihisa Yamamoto an der Universit{\"a}t Stanford, wurde hierzu ein konkretes Probendesign entwickelt und im Rahmen dieser Arbeit technologisch verwirklicht. Durch systematische epitaktische Optimierung ist es gelungen, ein gekoppeltes Quantenfilm-Quantenpunkt System erfolgreich in einen Mikroresonator zu implementierten. Das Exziton-Polariton-Gas konnte mittels eines Quantenfilms in starker Kopplung in einer Mikrokavit{\"a}t mit einer Rabi-Aufspaltung von VR=2,5 meV verwirklicht werden. Zudem konnten einfach geladene Quantenpunkte mit hoher optischer Qualit{\"a}t und klarem Einzelphotonencharakter (g(2)(0)=0,24) in unmittelbarer N{\"a}he zum Quantenfilm gemessen werden. Positionierte Quantenpunkte: F{\"u}r die Herstellung quantenpunktbasierter Einzelphotonenquellen mit hoher optischer Qualit{\"a}t ist eine skalierbare technologische Produktionsplattform w{\"u}nschenswert. Dazu m{\"u}ssen einzelne Quantenpunkte positionierbar und somit deterministisch und skalierbar in Bauteile integriert werden k{\"o}nnen. Basierend auf zweidimensionalen, regelm{\"a}ßig angeordneten und dadurch adressierbaren Quantenpunkten gibt es zudem ein Konzept, um ein skalierbares, optisch kontrolliertes Zwei-Qubit-Gatter zu realisieren. Das hier verfolgte Prinzip f{\"u}r die Positionierung von Quantenpunkten beruht auf der Verwendung von vorstrukturierten Substraten mit ge{\"a}tzten Nanol{\"o}chern, welche als Nukleationszentren f{\"u}r das Quantenpunktwachstum dienen. Durch eine optimierte Schichtstruktur und eine erh{\"o}hte Lichtauskopplung unter Verwendung eines dielektrischen Spiegels konnte erstmals Resonanzfluoreszenz an einem positionierten Quantenpunkt gemessen werden. In einem weiteren Optimierungsansatz konnte außerdem Emission von positionierten InGaAs Quantenpunkten auf GaAs Substrat bei 1,3 μm Telekommunikationswellenl{\"a}nge erreicht werden.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}