TY  - THES
A1  - Unsleber, Sebastian Philipp
T1  - Festkörperbasierte Einzelphotonenquellen als Grundbausteine der Quanteninformationstechnologie
T1  - Solid-state single photon sources as building blocks for the quantum information technology
N2  - 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 zukünftigen quantenphysikalischen Anwendungen wie der Quantenkommunikation oder dem Quantencomputer. Diese Konzepte nutzen gezielt quantenmechanische Systeme um einerseits Kommunikation absolut abhörsicher zu machen oder um neuartige Computer zu konstruieren, die bestimmte Aufgaben - wie die Produktzerlegung großer Zahlen - effizienter lösen als heutige Systeme. Ein mögliche Realisierung der Quantenkommunikation ist beispielsweise die Schlüsselverteilung zwischen zwei Parteien durch Verwendung des BB84-Protokolls. Dazu wird eine Lichtquelle benötigt, welche die physikalisch kleinstmögliche Lichtmenge - ein einzelnes Photon - aussendet. Der Kommunikationskanal wird dann über verschiedene Polarisationszustände dieser Photonen gegen ein Abhören nach außen hin abgesichert. Da die maximale Kommunikationsdistanz aufgrund von Verlusten im Quantenkanal beschränkt ist, muss das Signal für größere Distanzen mit Hilfe eines sog. Quantenrepeaters aufbereitet werden. Ein solcher kann ebenfalls unter Verwendung von Einzelphotonenquellen realisiert werden. Das Konzept des Quantenverstärkers stellt aber die zusätzliche Anforderung an die Einzelphotonenquelle, dass die ausgesendeten Lichtteilchen in der Summe ihrer Eigenschaften wie Energie und Polarisation immer gleich und somit ununterscheidbar sein müssen. 

Auf Basis solcher ununterscheidbarer Photonen gibt es zudem mit dem linear optischen Quantenrechner auch mögliche theoretische Ansätze zur Realisierung eines Quantencomputers. Dabei kann über die Quanteninterferenz von ununterscheidbaren Photonen an optischen Bauteilen wie Strahlteilern ein Quanten-NOT-Gatter zur Berechnung spezieller Algorithmen realisiert werden.

Als vielversprechende Kandidaten für eine solche Lichtquelle einzelner Photonen haben sich in den letzten Jahren Halbleiter-Quantenpunkte herauskristallisiert. Dank des festkörperbasierten Ansatzes können diese Strukturen in komplexe photonische Umgebungen zur Erhöhung der Photonen-Extraktionseffizienz und -Emissionsrate eingebettet werden. Ziel dieser Arbeit war somit eine effiziente Quelle einzelner ununterscheidbarer Photonen zu realisieren. Im Hinblick auf die spätere Anwendbarkeit wurde der Fokus zudem auf die skalierbare bzw. deterministische Fabrikation der Quantenpunkt-Strukturen gelegt und zwei technologische Ansätze - 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 können spektral scharfe Emissionslinien mit Linienbreiten bis knapp über 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 ungefähr 7 % höhere Indiumkonzentration im Vergleich zur nominellen Zusammensetzung des Volumenmaterials besitzen, gefunden. Über 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 Ladungsträgerkomplexe binden können.

Anschließend wurde der Fokus auf InGaAs-Quantenpunkte gelegt und zunächst im Rahmen einer experimentellen und theoretischen Gemeinschaftsarbeit die Kohärenzeigenschaften eines gekoppelten Quantenpunkt-Mikrokavität-Systems untersucht. Über temperaturabhängige 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 Schlüsseltechnik etabliert. Damit konnten bei tiefen Temperaturen nahezu vollständig ununterscheidbare Photonen durch eine Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von über 98 % nachgewiesen werden.

Für ein skalierbares und deterministisches Quantenpunkt-Bauelement ist entweder die Kontrolle über die Position an welcher der Quantenpunkt gewachsen wird nötig, oder die Position an der eine Mikrokavität geätzt wird muss auf die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes abgestimmt werden. Im weiteren Verlauf werden Untersuchungen an beiden technologischen Ansätzen durchgeführt.
Zunächst wurde der Fokus auf positionierte Quantenpunkte gelegt. Mittels in das Substrat geätzter Nanolöcher wird der Ort der Quantenpunkt-Nukleation festgelegt. Durch die geätzten Grenzflächen in Quantenpunkt-Nähe entstehen jedoch auch Defektzustände, die negativen Einfluss auf die Kohärenz der Quantenpunkt-Emission nehmen. Deshalb wurde an diesem Typus von Quantenpunkten die strikt resonante Anregung etabliert und zum ersten Mal die kohärente Kopplung des Exzitons an ein resonantes Lichtfeld demonstriert. Zudem konnte die deterministische Kontrolle der Exzitonbesetzung über den Nachweis einer Rabi-Oszillation gezeigt werden.

Abschließend wird das Konzept der kryogenen in-situ-Lithographie vorgestellt. Diese erlaubt die laterale Ausrichtung der Mikrokavität an die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes. Damit konnte gezielt die Emission eines zuvor ausgewählten, spektral schmalen Quantenpunktes mit nahezu 75 % Gesamteffizienz eingesammelt werden. Die Ununterscheidbarkeit der Quantenpunkt-Photonen war dabei mit einer Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von bis zu $\nu=(88\pm3)~\%$ sehr hoch. Damit wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Einzelphotonenquelle realisiert, aus der sich sehr effizient kohärente Photonen auskoppeln lassen, was einen wichtigen Schritt hin zur deterministischen Fabrikation von Lichtquellen für quantenphysikalischen Anwendungen darstellt.
N2  - The aim of this thesis was to develop an efficient and scalable source of single and indistinguishable photons. This is a fundamental element of future quantum physical applications like quantum communication or quantum networks. These concepts use quantum mechanical systems to either establish absolute secure communication or to construct new computers, whose calculating capacity for specialized algorithms - like integer factorization - is far beyond today's systems.
One possible realization of quantum communication is the key distribution between two parties via using the BB84-protocol. This scheme needs a lights source that emits the physical smallest amount of light - a single photon. The communication channel between transmitter and receiver is then secured against eavesdropping by different polarisation states of these photons. The non-avoidable loses in the quantum channel limit the maximum possible communication distance, which is why the signal has to be amplified with a so called quantum repeater after a certain distance. Such a repeater can also be realized with a single photon source. In addition to the BB84-protocol, for realizing the concept of a quantum repeater the photons have to share all their properties like energy and polarization, i. e. they need to be indistinguishable.

Over the past years, semiconductor quantum dots have been identified as a promising candidate for such a light source. Due to the solid state scheme, these structures can be implemented into complex photonic architectures to increase the outcoupling efficiency  and the emission rate of single photons. The main goal of the following work was therefore the realization of an efficient source of single and indistinguishable photons. Keeping future applications in mind, the additional focus of this work was lying on the scalable and deterministic fabrication of these quantum dot structures and two technological approaches - the cryogenic in-situ-lithography and the positioned growth of quantum dots - were investigated.

In the first part of this thesis, a novel material system, which serves as a source of single photons is presented.
Spectrally sharp emission features with a linewidth down to 50 µeV from bulk Al$_{0,48}$In$_{0,52}$As grown on InP(111) substrates were observed.
Via cross-section scanning tunneling microscopy measurements, nanoclusters with a diameter of approximately 16 nm and a 7 % increased indium concentration compared to the nominal composition, were found. Additional simulations of these complexes identify these nanoclusters as sources of the spectrally sharp emissions lines.
Furthermore, single photon emission as well as the formation of multi excitonic charge complexes within these clusters via auto- and crosscorrelation measurements is confirmed.

Afterwards, the work focusses on InGaAs-quantum dots and, as a first step, the coherence properties of a coupled quantum dot microcavity system are investigated within a joint theoretical and experimental work. Via temperature dependent two-photon interference measurements the single dephasing mechanisms of this system are extracted via modelling the results with a microscopic theory. Based on this results, the strict resonant excitation of quantum dots was established as a experimental key technique and quantum dot photons with a two-photon interference visibility above 98 % were generated at low temperatures.

For scalable and deterministic quantum dot devices, one either needs to control the growth spot of a quantum dot or the position of an etched microcavity has to be aligned to the position of a self-organized quantum dot. In the subsequent parts if this work, studies on both technological approaches are presented. First, spectroscopic experiments on site controlled quantum dots were carried out. Via etched nanoholes, the nucleation spot of the quantum dot is defined. These etched surfaces may lead to defect states, which decrease the coherence of the quantum dot emission. In order to avoid these detrimental influence, the strict resonant excitation of such site controlled quantum dots is established and the coherent coupling of the site controlled quantum dot exciton to the resonant laser field is observed. In addition, deterministic control of the site controlled quantum dot population is achieved, which is verified via the observation of the first Rabi-oscillation.

Finally, the so-called in-situ-lithography is presented, which allows for the lateral alignment of a self-organized quantum dot and the fundamental mode of a micropillar. Using this technique, an overall collection efficiency of single photons from a pre-selected quantum dot with a small linewidth of almost 75 % is shown. The coherence of this quantum dot was notably, which is demonstrated by a two-photon interference visibility as high as $\nu=(88\pm3)~\%$. In summary, an efficient source of single and indistinguishable photons was realized in this thesis, which is an important step towards the fabrication of deterministic quantum dot devices for quantum mechanical applications.
KW  - Quantenpunkt
KW  - Einzelphotonenemission
KW  - Quantenkommunikation
KW  - Einzelphotonenquelle
KW  - Mikrosäulenresonator
KW  - Nichtunterscheidbarkeit
KW  - Verteilte Bragg-Reflexion
KW  - Optischer Resonator
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147322
ER  - 
TY  - THES
A1  - Iff, Oliver
T1  - Implementierung und Charakterisierung von Einzelphotonenquellen in zweidimensionalen Übergangsmetall-Dichalkogeniden und deren Kopplung an optische Resonatoren
T1  - Implementation and characterization of single photon sources in two-dimensional transition-metal dichalcogenides and their coupling to optical resonators
N2  - Schon heute bilden Einzelphotonenquellen einen wichtigen Baustein in der Photonik
und Quanteninformation. Der Fokus der Forschung liegt entsprechend auf dem
Finden und Charakterisieren dafür geeigneter Materialsysteme. Konkret beschäftigt
sich die vorliegende Arbeit vorwiegend mit dem Übergangsmetall-Dichalkogenid
(TMDC1 ) Wolframdiselenid und seinen Eigenschaften. Diese Wahl ist durch den
direkte Zugang zu Einzelphotonenquellen begründet, die sich in dessen Monolagen
ausbilden können. Diese Lichtquellen können über eine Modulation der Verspannung
der Monolage gezielt aktiviert werden. Durch die, verglichen mit ihrem Volumen,
riesige Kontaktfläche lassen sich Monolagen zudem mit Hilfe des Substrats, auf das
sie transferiert wurden, wesentlich beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden
Monolagen von WSe2 in unterschiedlichen Bauteilen wie zirkulare Bragg-Gittern oder
vorstrukturierten, metallischen Oberflächen implementiert und die Photolumineszenz
des TMDCs untersucht. Diese Arbeit belegt die Möglichkeit, Einzelphotonenquellen basierend
aufWSe2 -Monolagen auf verschiedenste Weise modulieren zu können. Dank ihrer zwei-
dimensionalen Geometrie lassen sie sich einfach in bestehende Strukturen integrieren
oder auch in der Zukunft mit weiteren 2D-Materialien kombinieren.
N2  - Single photon sources are an important building block in today’s photonics and
quantum information. This is the reason why a big focus lies on the exploration of
new, suitable material systems. Specifically, the work in hand mainly discusses the
transition metal dichalcogenide (TMDC) tungsten diselenide and its properties. The
reason for this is the easy access to single photon sources, which can be found in
WSe2 monolayers. These can deterministically be activated by utilizing strain. As
the interface between a transferred monolayer and its underlying substrate is huge
compared to its volume, the substrate itself always has a big impact on the TMDC. In
scope of this work, WSe2 monolayers were transferred on several devices like circular
Bragg gratings or structured metal surfaces in order to investigate the optical response of the TMDC.
This work therefore proves the concept of modulating single photon sources based on WSe2 
monolayers in many different ways. Thanks to their two-dimensional nature,
monolayers of TMDCs can easily be integrated in existing devices and combined with
other 2D materials in the future.
KW  - Einzelphotonenemission
KW  - Photolumineszenz
KW  - Optik
KW  - Zweidimensionales Material
KW  - Schwache Kopplung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281404
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TY  - THES
A1  - Suchomel, Holger Maximilian
T1  - Entwicklung elektrooptischer Bauteile auf der Basis von Exziton-Polaritonen in Halbleiter-Mikroresonatoren
T1  - Development of electro-optical devices based on exciton polaritons in semiconductor microresonators
N2  - Exziton-Polaritonen (Polaritonen), hybride Quasiteilchen, die durch die starke Kopplung von Quantenfilm-Exzitonen mit Kavitätsphotonen entstehen, stellen auf Grund ihrer vielseitigen und kontrollierbaren Eigenschaften einen vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung einer neuen Generation von nichtlinearen und integrierten elektrooptischen Bauteilen dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung kompakter elektrooptischer Bauelemente auf der Basis von Exziton-Polaritonen in Halbleitermikrokavitäten.
Als erstes wird die Implementierung einer elektrisch angeregten, oberflächenemittierenden Polariton-Laserdiode vorgestellt, die ohne ein externes Magnetfeld arbeiten kann. Dafür wird der Schichtaufbau, der Q-Faktor, das Dotierprofil und die RabiAufspaltung der Polariton-Laserdiode optimiert. Der Q-Faktor des finalen Aufbaus beläuft sich auf Q ~ 16.000, während die Rabi-Aufspaltung im Bereich von ~ 11,0 meV liegt. Darauf aufbauend werden Signaturen der Polariton-Kondensation unter elektrischer Anregung, wie ein nichtlinearer Anstieg der Intensität, die Reduktion der Linienbreite und eine fortgesetzte Verschiebung der Emission zu höheren Energien oberhalb der ersten Schwelle, demonstriert. Ferner werden die Kohärenzeigenschaften des Polariton-Kondensats mittels Interferenzspektroskopie untersucht.
Basierend auf den optimierten Halbleiter-Mikroresonatoren wird eine Kontaktplattform für die elektrische Anregung ein- und zweidimensionaler Gitterstrukturen entwickelt. Dazu wird die Bandstrukturbildung eines Quadrat- und Graphen-Gitters unter elektrischer Anregung im linearen Regime untersucht und mit den Ergebnissen der optischen Charakterisierung verglichen. Die erhaltenen Dispersionen lassen sich durch das zugehörige Tight-Binding-Modell beschreiben. Ferner wird auch eine elektrisch induzierte Nichtlinearität in der Emission demonstriert. Die untersuchte Laser-Mode liegt auf der Höhe des unteren Flachbandes und an der Position der Γ-Punkte in der zweiten Brillouin-Zone. Die zugehörige Modenstruktur weist die erwartete Kagome-Symmetrie auf. Abschließend wird die Bandstrukturbildung eines SSH-Gitters mit eingebautem Defekt unter elektrischer Anregung untersucht und einige Eigenschaften des topologisch geschützten Defektzustandes gezeigt. Dazu gehört vor allem die Ausbildung der lokalisierten Defektmode in der Mitte der S-Bandlücke. Die erhaltenen Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt in der Realisierung eines elektrisch betriebenen topologischen Polariton-Lasers dar.
Abschließend wird ein elektrooptisches Bauteil auf der Basis von Polaritonen in einem Mikrodrahtresonator vorgestellt, in dem sich die Propagation eines PolaritonKondensats mittels eines elektrostatischen Feldes kontrollieren lässt. Das Funktionsprinzip des Polariton-Schalters beruht auf der Kombination einer elektrostatischen Potentialsenke unterhalb des Kontaktes und der damit verbundenen erhöhten ExzitonIonisationsrate. Der Schaltvorgang wird sowohl qualitativ als auch quantitativ analysiert und die Erhaltenen Ergebnisse durch die Modellierung des Systems über die GrossPitaevskii-Gleichung beschrieben. Zusätzlich wird ein negativer differentieller Widerstand und ein bistabiles Verhalten in der Strom-Spannungs-Charakteristik in Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte im Kontaktbereich beobachtet. Dieses Verhalten wird auf gegenseitig konkurrierende Kondensats-Zustände innerhalb der Potentialsenke und deren Besetzung und damit direkt auf den räumlichen Freiheitsgrad der PolaritonZustände zurückgeführt.
N2  - Exciton-polaritons (polaritons), hybrid quasi-particles formed by the strong coupling between quantum well excitons and microcavity photons, are promising candidates for the realization of a new generation of nonlinear and integrated electrooptical devices. Compared to photonic or electrical approaches distinguishing advantages of Polaritons are their versatile and tuneable properties that allow electrical excitation and easy manipulation, which is both advantageous for on-chip applications. The present thesis deals with the development, implementation, and improvement of compact electrooptical devices based on exciton-polaritons in semiconductor microcavities.
At first the implementation of an electrically driven vertically emitting polariton laser diode, which operates without the need of an applied magnetic field, is presented. For this purpose, the layer structure, quality factor, doping profile and Rabi-splitting of the polariton laser diode is optimized. The final design consists of a high-quality factor Al0.20Ga0.80As/AlAs microcavity (Q ~ 16,000) and features a Rabi-splitting of ~ 11.0 meV. Signatures for polariton condensation under electrical excitation are shown in the processed device. It features a clear nonlinearity in its input-output characteristic, a well-pronounced drop in the emission linewidth and a persisting blueshift above the first threshold with increasing pump-power. On top of that, evidence of the systems coherence properties in the condensed phase is provided directly by utilizing interference spectroscopy.
Based on the optimized microcavity structures a process for the electrical excitation of one- and two-dimensional potential landscapes is developed. At first, the linear band structures of polaritonic square as well as honeycomb lattices are studied under electrical injection and compared to the results acquired by optical excitation. The obtained dispersions are reproduced by a tight-binding model. Moreover, the capability of the device to facilitate an electrically induced nonlinear emission is demonstrated. The investigated laser mode at the high symmetry Γ points in the second Brillouin zone, is located at the low energy flatband, as verified by the kagome geometry of the measured mode structure. Subsequent, the results of a one-dimensional SSH chain are presented under electrical excitation. In addition, the properties of a built-in lattice defect, forming a topological protected state in the middle of the S band gap, are investigated, paving the way towards the realization of electrically driven topological polariton lasers.
Finally, an electrooptical polariton switch is demonstrated as a prototype of a polaritonic field-effect transistor. Here, an optical generated polariton condensate propagating along a one-dimensional channel is controlled by an electrical gate. The operation of the device relies on the combination of an electrostatic potential trap underneath the contact, and the associated exciton ionization. The switching behaviour is analysed in a qualitative as well as in a quantitative manner and verified by modelling the experimental findings with the Gross-Pitaevskii equation. Furthermore, a pronounced negative differential resistance and a strong bistability is observed in the photocurrent response as a function of the carrier density. This is attributed to competing transitions of trapped condensate modes and thus directly to the spatial degree of freedom of the polariton states, which represents a completely new way to create bistability.
KW  - Drei-Fünf-Halbleiter
KW  - AlGaAs
KW  - Exziton-Polariton
KW  - Optischer Resonator
KW  - Quantenwell
KW  - Mikroresonator
KW  - Polariton Lasing
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-271630
ER  -