Physikalisches Institut
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The possibility of investigating macroscopic coherent quantum states in polariton condensates and of engineering polariton landscapes in semiconductors has triggered interest in using polaritonic systems to simulate complex many-body phenomena. However, advanced experiments require superior trapping techniques that allow for the engineering of periodic and arbitrary potentials with strong on-site localization, clean condensate formation, and nearest-neighbor coupling. Here we establish a technology that meets these demands and enables strong, potentially tunable trapping without affecting the favorable polariton characteristics. The traps are based on a locally elongated microcavity which can be formed by standard lithography. We observe polariton condensation with non-resonant pumping in single traps and photonic crystal square lattice arrays. In the latter structures, we observe pronounced energy bands, complete band gaps, and spontaneous condensation at the M-point of the Brillouin zone.
We report on a quasi-planar quantum-dot-based single-photon source that shows an unprecedented high extraction efficiency of 42% without complex photonic resonator geometries or post-growth nanofabrication. This very high efficiency originates from the coupling of the photons emitted by a quantum dot to a Gaussian shaped nanohill defect that naturally arises during epitaxial growth in a self-aligned manner. We investigate the morphology of these defects and characterize the photonic operation mechanism. Our results show that these naturally arising coupled quantum dot-defects provide a new avenue for efficient (up to 42% demonstrated) and pure (g(2)(0) value of 0.023) single-photon emission.
Monolayers of transition metal dichalcogenide materials emerged as a new material class to study excitonic effects in solid state, as they benefit from enormous Coulomb correlations between electrons and holes. Especially in WSe\(_{2}\), sharp emission features have been observed at cryogenic temperatures, which act as single photon sources. Tight exciton localization has been assumed to induce an anharmonic excitation spectrum; however, the evidence of the hypothesis, namely the demonstration of a localized biexciton, is elusive. Here we unambiguously demonstrate the existence of a localized biexciton in a monolayer of WSe\(_{2}\), which triggers an emission cascade of single photons. The biexciton is identified by its time-resolved photoluminescence, superlinearity and distinct polarization in micro-photoluminescence experiments. We evidence the cascaded nature of the emission process in a cross-correlation experiment, which yields a strong bunching behaviour. Our work paves the way to a new generation of quantum optics experiments with two-dimensional semiconductors.
Coherent Polariton Laser
(2016)
The semiconductor polariton laser promises a new source of coherent light, which, compared to conventional semiconductor photon lasers, has input-energy threshold orders of magnitude lower. However, intensity stability, a defining feature of a coherent state, has remained poor. Intensity noise many times the shot noise of a coherent state has persisted, attributed to multiple mechanisms that are difficult to separate in conventional polariton systems. The large intensity noise, in turn, limits the phase coherence. Thus, the capability of the polariton laser as a source of coherence light is limited. Here, we demonstrate a polariton laser with shot-noise-limited intensity stability, as expected from a fully coherent state. This stability is achieved by using an optical cavity with high mode selectivity to enforce single-mode lasing, suppress condensate depletion, and establish gain saturation. Moreover, the absence of spurious intensity fluctuations enables the measurement of a transition from exponential to Gaussian decay of the phase coherence of the polariton laser. It suggests large self-interaction energies in the polariton condensate, exceeding the laser bandwidth. Such strong interactions are unique to matter-wave lasers and important for nonlinear polariton devices. The results will guide future development of polariton lasers and nonlinear polariton devices.
Efficient and fast on-demand single photon sources have been sought after as critical components of quantum information science. We report an efficient and tunable single photon source based on an InAs quantum dot (QD) embedded in a photonic crystal cavity coupled with a highly curved \(\mu\)-fibre. Exploiting evanescent coupling between the \(\mu\)-fibre and the cavity, a high collection efficiency of 23% and Purcell-enhanced spontaneous emissions are observed. In our scheme, the spectral position of a resonance can be tuned by as much as 1.5 nm by adjusting the contact position of the \(\mu\)-fibre, which increases the spectral coupling probability between the QD and the cavity mode. Taking advantage of the high photon count rate and the tunability, the collection efficiencies and the decay rates are systematically investigated as a function of the QD-cavity detuning.
Electro-optical switching between polariton and cavity lasing in an InGaAs quantum well microcavity
(2014)
We report on the condensation of microcavity exciton polaritons under optical excitation in a microcavity with four embedded InGaAs quantum wells. The polariton laser is characterized by a distinct nonlinearity in the input-output-characteristics, which is accompanied by a drop of the emission linewidth indicating temporal coherence and a characteristic persisting emission blueshift with increased particle density. The temporal coherence of the device at threshold is underlined by a characteristic drop of the second order coherence function to a value close to 1. Furthermore an external electric field is used to switch between polariton regime, polariton condensate and photon lasing.
Highly efficient single-photon sources (SPS) can increase the secure key rate of quantum key distribution (QKD) systems compared to conventional attenuated laser systems. Here we report on a free space QKD test using an electrically driven quantum dot single-photon source (QD SPS) that does not require a separate laser setup for optical pumping and thus allows for a simple and compact SPS QKD system. We describe its implementation in our 500 m free space QKD system in downtown Munich. Emulating a BB84 protocol operating at a repetition rate of 125 MHz, we could achieve sifted key rates of 5-17 kHz with error ratios of 6-9% and g((2))(0)-values of 0.39-0.76.
Giant photon bunching, superradiant pulse emission and excitation trapping in quantum-dot nanolasers
(2016)
Light is often characterized only by its classical properties, like intensity or coherence. When looking at its quantum properties, described by photon correlations, new information about the state of the matter generating the radiation can be revealed. In particular the difference between independent and entangled emitters, which is at the heart of quantum mechanics, can be made visible in the photon statistics of the emitted light. The well-studied phenomenon of superradiance occurs when quantum–mechanical correlations between the emitters are present. Notwithstanding, superradiance was previously demonstrated only in terms of classical light properties. Here, we provide the missing link between quantum correlations of the active material and photon correlations in the emitted radiation. We use the superradiance of quantum dots in a cavity-quantum electrodynamics laser to show a direct connection between superradiant pulse emission and distinctive changes in the photon correlation function. This directly demonstrates the importance of quantum–mechanical correlations and their transfer between carriers and photons in novel optoelectronic devices.
Excitons in atomically thin transition-metal dichalcogenides (TMDs) have been established as an attractive platform to explore polaritonic physics, owing to their enormous binding energies and giant oscillator strength. Basic spectral features of exciton polaritons in TMD microcavities, thus far, were conventionally explained via two-coupled-oscillator models. This ignores, however, the impact of phonons on the polariton energy structure. Here we establish and quantify the threefold coupling between excitons, cavity photons, and phonons. For this purpose, we employ energy-momentum-resolved photoluminescence and spatially resolved coherent two-dimensional spectroscopy to investigate the spectral properties of a high-quality-factor microcavity with an embedded WSe\(_2\) van-der-Waals heterostructure at room temperature. Our approach reveals a rich multi-branch structure which thus far has not been captured in previous experiments. Simulation of the data reveals hybridized exciton-photon-phonon states, providing new physical insight into the exciton polariton system based on layered TMDs.
Konzepte zur skalierbaren Realisierung von effizienten, halbleiterbasierten Einzelphotonenquellen
(2011)
Dem Einsatz niederdimensionaler Nanostrukturen als optisch aktives Medium wird enormes Potential vorausgesagt sowohl in den klassischen optoelektronischen Bauteilen (wie z.B. Halbleiterlasern) als auch in optischen Bauteilen der näachsten Generation (z.B. Einzelphotonenquellen oder Quellen verschränkter Photonenpaare). Dennoch konnten sich quantenpunktbasierte Halbleiterlaser, abgesehen von einigen wenigen Ausnahmen (QDLaser inc.), im industriellen Maßstab bisher nicht gegen Bauelemente mit höherdimensionalen Quantenfilmen als optisch aktivem Element durchsetzen. Deshalb scheint der Einsatz von Quantenpunkten (QPen) in nichtklassischen Lichtquellen gegenwärtig vielversprechender. Um jedoch solche Bauteile bis zur letztendlichen Marktreife zu bringen, müssen neben der starken Unterdrückung von Multiphotonenemission noch wesentliche Grundvoraussetzungen erfüllt werden: In dieser Arbeit wurden grundlegende Studien durchgeführt, welche insbesondere dem Fortschritt und den Problemen der Effizienz, des elektrischen Betriebs und der Skalierbaren Herstellung der Photonenqullen dienen sollte. Zum Einen wurden hierfür elektrisch betriebene Einzelphotonenquellen basierend auf gekoppelten QP-Mikroresonatoren realisiert und de ren Bauteileffizienz gezielt optimiert, wobei konventionelle selbstorganisierte InAs-QPe als aktives Medium eingesetzt wurden. Für die skalierbare Integration einzelner QPe in Mikroresonatoren wurde des Weiteren das gesteuerte QP-Wachstum auf vorstrukturierten Substraten optimiert und auf diese Art ortskontrollierte QPe in Bauteile integriert. Für die Realisierung hocheffizienter, elektrisch gepumpter inzelphotonenquellen wurde zunächst das Wachstum von binären InAs-QPen im Stranski-Krastanov-Modus optimiert und deren optische Eigenschaften im Detail untersucht. Durch das Einbringen einer Schicht von Siliziumatomen nahe der QP-Schicht konnten die Emitter negativ geladen werden und der helle Trionenzustand der QPe als energetischer Eigenzustand des Systems zur effizienten Extraktion einzelner Photonen ausgenutzt werden. Durch die Integration dieser geladenen QPe in elektrisch kontaktierte, auf Braggspiegel basierte Mikrotürmchen konnten Einzelphotonenquellen realisiert werden, in denen gezielt Licht-Materie- Wechselwirkungseffekte zur Steigerung der Bauteileffizienz ausgenutzt wurden. Basierend auf theoretischen Überlegungen wurde die Schichtstruktur soweit optimiert, dass letztendlich experimentell eine elektrisch gepumpte Einzelphotonenquelle mit einer Photonenemissionsrate von 47 MHz sowie einer zuvor unerreichten Bauteileffizienz von 34 % im Regime der schwachen Licht-Materie-Kopplung demonstriert werden konnte. Da Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen QP und Resonator neben der spektralen Resonanz ebenfalls von der relativen Position von Resonator und QP zueinander abhängen, ist eine Kombination von positionierten QPen und Bauteilausrichtung nahezu unumg¨anglich für die skalierbare, deterministische Herstellung von Systemen aus perfekt angeordnetem Emitter und Resonator. Deshalb wurden bestehende Konzepte zum geordneten Wachstum von QPen weiterentwickelt: Hierbei wurde geordnetes InAs-QP-Wachstum mit Perioden realisiert, die vergleichbare Abmessungen wie optische Resonatoren aufweisen, also Nukleationsperioden zwischen 500 nm und 4 μm. Durch ein genaues Anpassen der Wachstums- und Prozessbedingungen konnte des Weiteren die Bildung von QP-Molekülen auf den Nukleationsplätzen nahezu unterdrückt beziehungsweise gesteuert werden. Durch eine systematische Optimierung der optischen Eigenschaften der QPe konnten Emitter mit Einzelquantenpunktlinienbreiten um 100 μeV realisiert werden, was eine Grundvoraussetzung zur Studie ausgeprägter Licht-Materie-Wechselwirkungseffekte in Mikroresonatoren darstellt. Letztendlich konnten durch die Integration derartiger QPe in optisch sowie elektrisch betriebene Mikroresonatoren erstmals Bauteile realisiert werden, welche einige der prinzipiellen, an eine Einzelphotonenquelle gestellten Anforderungen erfüllen. Insbesondere konnten deutliche Signaturen der schwachen Licht-Materie-Kopplung einzelner positionierter QPe in photonische Kristallresonatoren, Mikroscheibenresonatoren sowie Mikrotürmchenresonatoren festgestellt werden. Darüberhinaus konnte an einem spektral resonanten System aus einem positionierten QP und der Grundmode eines Mikrotürmchenresonators eindeutig Einzelphotonenemission unter optischer Anregung demonstriert werden. Ebenfalls konnten Mikrotürmchenresonatoren mit integrierten positionierten QPen erstmals elektrisch betrieben werden und somit die Grundvoraussetzung für eine der skalierbaren Herstellung effizienter Einzelphotonenquellen geschaffen werden.