@phdthesis{Gessler2016,
  author    = {Geßler, Jonas},
  title     = {Reduktion des Modenvolumens von Mikrokavit{\"a}ten im Regime der schwachen und starken Kopplung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-144558},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit war die Reduktion des Modenvolumens in Mikrokavit{\"a}ten. Ein klei-nes Modenvolumen ist f{\"u}r die St{\"a}rke der Licht-Materie-Wechselwirkung wesentlich, weil dadurch z.B. die Schwelle f{\"u}r koh{\"a}rente Lichtemission gesenkt werden kann [1]. Der Purcell-Faktor, ein Maß f{\"u}r die Rate der spontanen Emission, wird durch ein mi-nimales Modenvolumen maximiert [2, 3]. Im Regime der starken Kopplung steigt mit Abnahme des Modenvolumens die Rabi-Aufspaltung und damit die maximale Tempe-ratur, bei der das entsprechende Bauteil funktioniert [4, 5]. Spektrale Eigenschaften treten deutlicher hervor und machen die Funktion der Struktur stabiler gegen{\"u}ber st{\"o}-renden Einfl{\"u}ssen. Der erste Ansatz, das Modenvolumen einer Mikrokavit{\"a}t zu reduzieren, zielte darauf, die Eindringtiefe der optischen Mode in die beiden Bragg-Spiegel einer Mikrokavit{\"a}t zu minimieren. Diese h{\"a}ngt im Wesentlichen vom Kontrast der Brechungsindizes der alternierenden Schichten eines Bragg-Spiegels ab. Ein maximaler Kontrast kann durch alternierende Schichten aus Halbleiter und Luft erreicht werden. Theoretisch kann auf diese Weise das Modenvolumen in vertikaler Richtung um mehr als einen Faktor 6 im Vergleich zu einer konventionellen Galliumarsenid/Aluminiumgalliumarsenid Mikro-kavit{\"a}t reduziert werden. Zur Herstellung dieser Strukturen wurden die aluminiumhal-tigen Schichten einer Galliumarsenid/Aluminiumgalliumarsenid Mikrokavit{\"a}t voll-st{\"a}ndig entfernt und so der Brechungsindexkontrast maximiert. Die Schichtdicken sind dabei entsprechend anzupassen, um weiterhin die Bragg-Bedingung zu erf{\"u}llen. Die Herstellung einer freitragenden Galliumarsenid/Luft-Mikrokavit{\"a}t konnte so erfolg-reich demonstriert werden. Die Photolumineszenz der Bauteile weist diskrete Reso-nanzen auf, deren Ursache in der begrenzten lateralen Gr{\"o}ße der Strukturen liegt. In leistungsabh{\"a}ngigen Messungen kann durch ausgepr{\"a}gtes Schwellenverhalten und auf-l{\"o}sungsbegrenzte spektrale Linienbreiten Laseremission nachgewiesen werden. Wegen der Abh{\"a}ngigkeit der photonischen Resonanz vom genauen Brechungsindex in den freitragenden Schichten eignen sich die vorgestellten Strukturen auch zur Bestimmung von Brechungsindizes. Alternativ kann die photonische Resonanz durch Einbringen verschiedener Gase in die freitragenden Schichten abgestimmt werden. Beides konnte mit Erfolg nachgewiesen werden. Der Nachteil dieses Ansatzes liegt vor allem darin, dass ein elektrischer Betrieb der so gefertigten Strukturen nicht m{\"o}glich ist. Hier bie-tet der zweite Ansatz eine bestm{\"o}gliche L{\"o}sung. Das alternative Konzept f{\"u}r den oberen Bragg-Spiegel einer konventionellen Galli-umarsenid/Aluminiumgalliumarsenid Mikrokavit{\"a}t ist das der Tamm-Plasmonen. Der photonische Einschluss wird hier durch einen unteren Bragg-Spiegel und einem d{\"u}n-nen oberen Metallspiegel erreicht. An der Grenzfl{\"a}che vom Halbleiter zum Metall bil-den sich die optischen Tamm-Plasmonen aus. Dabei kann der Metallspiegel gleichzei-tig auch als elektrischer Kontakt genutzt werden. Die Kopplung von Quantenfilm-Exzitonen an optische Tamm-Plasmonen wird in dieser Arbeit erfolgreich demons-triert. Im Regime der starken Kopplung wird mittels Stark-Effekt eine vollst{\"a}ndige elektro-optische Verstimmung, d.h. vom Bereich positiver bis hin zur negativen Ver-stimmung, des Quantenfilm-Exzitons gegen{\"u}ber der Tamm-Plasmonen Mode nachge-wiesen. Die Messungen best{\"a}tigen entsprechend des reduzierten Modenvolumens (Faktor 2) eine erh{\"o}hte Rabi-Aufspaltung. Dabei sind die spektrale Verschiebung und die Oszillatorst{\"a}rke des Quantenfilm-Exzitons konsistent mit der Theorie und mit Li-teraturwerten. Der wesentliche Nachteil des Ansatzes liegt in der maximalen G{\"u}te, die durch den großen Extinktionskoeffizienten des Metallspiegels limitiert ist.},
  subject      = {Galliumarsenidlaser},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Unsleber2016,
  author    = {Unsleber, Sebastian Philipp},
  title     = {Festk{\"o}rperbasierte Einzelphotonenquellen als Grundbausteine der Quanteninformationstechnologie},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-147322},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel basierend auf Halbleiternanostrukturen eine effiziente und skalierbare Quelle einzelner und ununterscheidbarer Photonen zu entwickeln. Dies ist eine Basiskomponente von zuk{\"u}nftigen quantenphysikalischen Anwendungen wie der Quantenkommunikation oder dem Quantencomputer. Diese Konzepte nutzen gezielt quantenmechanische Systeme um einerseits Kommunikation absolut abh{\"o}rsicher zu machen oder um neuartige Computer zu konstruieren, die bestimmte Aufgaben - wie die Produktzerlegung großer Zahlen - effizienter l{\"o}sen als heutige Systeme. Ein m{\"o}gliche Realisierung der Quantenkommunikation ist beispielsweise die Schl{\"u}sselverteilung zwischen zwei Parteien durch Verwendung des BB84-Protokolls. Dazu wird eine Lichtquelle ben{\"o}tigt, welche die physikalisch kleinstm{\"o}gliche Lichtmenge - ein einzelnes Photon - aussendet. Der Kommunikationskanal wird dann {\"u}ber verschiedene Polarisationszust{\"a}nde dieser Photonen gegen ein Abh{\"o}ren nach außen hin abgesichert. Da die maximale Kommunikationsdistanz aufgrund von Verlusten im Quantenkanal beschr{\"a}nkt ist, muss das Signal f{\"u}r gr{\"o}ßere Distanzen mit Hilfe eines sog. Quantenrepeaters aufbereitet werden. Ein solcher kann ebenfalls unter Verwendung von Einzelphotonenquellen realisiert werden. Das Konzept des Quantenverst{\"a}rkers stellt aber die zus{\"a}tzliche Anforderung an die Einzelphotonenquelle, dass die ausgesendeten Lichtteilchen in der Summe ihrer Eigenschaften wie Energie und Polarisation immer gleich und somit ununterscheidbar sein m{\"u}ssen. Auf Basis solcher ununterscheidbarer Photonen gibt es zudem mit dem linear optischen Quantenrechner auch m{\"o}gliche theoretische Ans{\"a}tze zur Realisierung eines Quantencomputers. Dabei kann {\"u}ber die Quanteninterferenz von ununterscheidbaren Photonen an optischen Bauteilen wie Strahlteilern ein Quanten-NOT-Gatter zur Berechnung spezieller Algorithmen realisiert werden. Als vielversprechende Kandidaten f{\"u}r eine solche Lichtquelle einzelner Photonen haben sich in den letzten Jahren Halbleiter-Quantenpunkte herauskristallisiert. Dank des festk{\"o}rperbasierten Ansatzes k{\"o}nnen diese Strukturen in komplexe photonische Umgebungen zur Erh{\"o}hung der Photonen-Extraktionseffizienz und -Emissionsrate eingebettet werden. Ziel dieser Arbeit war somit eine effiziente Quelle einzelner ununterscheidbarer Photonen zu realisieren. Im Hinblick auf die sp{\"a}tere Anwendbarkeit wurde der Fokus zudem auf die skalierbare bzw. deterministische Fabrikation der Quantenpunkt-Strukturen gelegt und zwei technologische Ans{\"a}tze - die kryogene in-situ-Lithographie und das positionierte Wachstum von Quantenpunkten - untersucht. Im ersten experimentellen Kapitel dieser Arbeit wird ein neuartiges Materialsystem vorgestellt, welches sich zur Generation einzelner Photonen eignet. Es k{\"o}nnen spektral scharfe Emissionslinien mit Linienbreiten bis knapp {\"u}ber 50 µeV aus Al\$_{0,48}\$In\$_{0,52}\$As Volumenmaterial beobachtet werden, wenn diese Schicht auf InP(111) Substraten abgeschieden wird. In Querschnitt-Rastertunnelmikroskopie-Messungen wurden ca. 16 nm große Cluster, welche eine um ungef{\"a}hr 7 \% h{\"o}here Indiumkonzentration im Vergleich zur nominellen Zusammensetzung des Volumenmaterials besitzen, gefunden. {\"U}ber die Simulation dieser Strukturen konnten diese als Quelle der spektral scharfen Emissionslinien identifiziert werden. Zudem wurde mittels Auto- und Kreuzkorrelationsmessungen nachgewiesen, dass diese Nanocluster einzelne Photonen emittieren und verschieden geladene exzitonische und biexzitonische Ladungstr{\"a}gerkomplexe binden k{\"o}nnen. Anschließend wurde der Fokus auf InGaAs-Quantenpunkte gelegt und zun{\"a}chst im Rahmen einer experimentellen und theoretischen Gemeinschaftsarbeit die Koh{\"a}renzeigenschaften eines gekoppelten Quantenpunkt-Mikrokavit{\"a}t-Systems untersucht. {\"U}ber temperaturabh{\"a}ngige Zwei-Photonen Interferenz Messungen und dem Vergleich mit einem mikroskopischen Modell des Systems konnten gezielt die Bestandteile der Quantenpunkt-Dephasierung extrahiert werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde die gepulste, strikt resonante Anregung von Quantenpunkten als experimentelle Schl{\"u}sseltechnik etabliert. Damit konnten bei tiefen Temperaturen nahezu vollst{\"a}ndig ununterscheidbare Photonen durch eine Zwei-Photonen Interferenz Visibilit{\"a}t von {\"u}ber 98 \% nachgewiesen werden. F{\"u}r ein skalierbares und deterministisches Quantenpunkt-Bauelement ist entweder die Kontrolle {\"u}ber die Position an welcher der Quantenpunkt gewachsen wird n{\"o}tig, oder die Position an der eine Mikrokavit{\"a}t ge{\"a}tzt wird muss auf die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes abgestimmt werden. Im weiteren Verlauf werden Untersuchungen an beiden technologischen Ans{\"a}tzen durchgef{\"u}hrt. Zun{\"a}chst wurde der Fokus auf positionierte Quantenpunkte gelegt. Mittels in das Substrat ge{\"a}tzter Nanol{\"o}cher wird der Ort der Quantenpunkt-Nukleation festgelegt. Durch die ge{\"a}tzten Grenzfl{\"a}chen in Quantenpunkt-N{\"a}he entstehen jedoch auch Defektzust{\"a}nde, die negativen Einfluss auf die Koh{\"a}renz der Quantenpunkt-Emission nehmen. Deshalb wurde an diesem Typus von Quantenpunkten die strikt resonante Anregung etabliert und zum ersten Mal die koh{\"a}rente Kopplung des Exzitons an ein resonantes Lichtfeld demonstriert. Zudem konnte die deterministische Kontrolle der Exzitonbesetzung {\"u}ber den Nachweis einer Rabi-Oszillation gezeigt werden. Abschließend wird das Konzept der kryogenen in-situ-Lithographie vorgestellt. Diese erlaubt die laterale Ausrichtung der Mikrokavit{\"a}t an die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes. Damit konnte gezielt die Emission eines zuvor ausgew{\"a}hlten, spektral schmalen Quantenpunktes mit nahezu 75 \% Gesamteffizienz eingesammelt werden. Die Ununterscheidbarkeit der Quantenpunkt-Photonen war dabei mit einer Zwei-Photonen Interferenz Visibilit{\"a}t von bis zu \$\nu=(88\pm3)~\\%\$ sehr hoch. Damit wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Einzelphotonenquelle realisiert, aus der sich sehr effizient koh{\"a}rente Photonen auskoppeln lassen, was einen wichtigen Schritt hin zur deterministischen Fabrikation von Lichtquellen f{\"u}r quantenphysikalischen Anwendungen darstellt.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}