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- Friedrich Schiller University Jena, Germany (1)
- Max Planck School of Photonics Jena, Germany (1)
- National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan (1)
- Röntgen Center for Complex Material Systems (RCCM), Am Hubland, 97074 W¨urzburg, Germany (1)
- University of Oldenburg, Germany (1)
- University of Science and Technology of China, Hefei, China (1)
- Wilhelm Conrad Röntgen-Center for Complex Material Systems, Würzburg (1)
- Wilhelm-Conrad-Röntgen-Forschungszentrum für komplexe Materialsysteme (1)
Practical quantum communication between remote quantum memories rely on single photons at telecom wavelengths. Although spin-photon entanglement has been demonstrated in atomic and solid-state qubit systems, the produced single photons at short wavelengths and with polarization encoding are not suitable for long-distance communication, because they suffer from high propagation loss and depolarization in optical fibres. Establishing entanglement between remote quantum nodes would further require the photons generated from separate nodes to be indistinguishable. Here, we report the observation of correlations between a quantum-dot spin and a telecom single photon across a 2-km fibre channel based on time-bin encoding and background-free frequency downconversion. The downconverted photon at telecom wavelengths exhibits two-photon interference with another photon from an independent source, achieving a mean wavepacket overlap of greater than 0.89 despite their original wavelength mismatch (900 and 911 nm). The quantum-networking operations that we demonstrate will enable practical communication between solid-state spin qubits across long distances.
Strong light matter coupling between excitons and microcavity photons, as described in the framework of cavity quantum electrodynamics, leads to the hybridization of light and matter excitations. The regime of collective strong coupling arises, when various excitations from different host media are strongly coupled to the same optical resonance. This leads to a well-controllable admixture of various matter components in three hybrid polariton modes. Here, we study a cavity device with four embedded GaAs quantum wells hosting excitons that are spectrally matched to the A-valley exciton resonance of a MoSe\(_{2}\) monolayer. The formation of hybrid polariton modes is evidenced in momentum resolved photoluminescence and reflectivity studies. We describe the energy and k-vector distribution of exciton-polaritons along the hybrid modes by a thermodynamic model, which yields a very good agreement with the experiment.
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.
Bosonic condensation belongs to the most intriguing phenomena in physics, and was mostly reserved for experiments with ultra-cold quantum gases. More recently, it became accessible in exciton-based solid-state systems at elevated temperatures. Here, we demonstrate bosonic condensation driven by excitons hosted in an atomically thin layer of MoSe2, strongly coupled to light in a solid-state resonator. The structure is operated in the regime of collective strong coupling between a Tamm-plasmon resonance, GaAs quantum well excitons, and two-dimensional excitons confined in the monolayer crystal. Polariton condensation in a monolayer crystal manifests by a superlinear increase of emission intensity from the hybrid polariton mode, its density-dependent blueshift, and a dramatic collapse of the emission linewidth, a hallmark of temporal coherence. Importantly, we observe a significant spin-polarization in the injected polariton condensate, a fingerprint for spin-valley locking in monolayer excitons. Our results pave the way towards highly nonlinear, coherent valleytronic devices and light sources.
The optical properties of transition metal dichalcogenide monolayers are widely dominated by excitons, Coulomb-bound electron–hole pairs. These quasi-particles exhibit giant oscillator strength and give rise to narrow-band, well-pronounced optical transitions, which can be brought into resonance with electromagnetic fields in microcavities and plasmonic nanostructures. Due to the atomic thinness and robustness of the monolayers, their integration in van der Waals heterostructures provides unique opportunities for engineering strong light-matter coupling. We review first results in this emerging field and outline future opportunities and challenges.
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.
Skala für Arbeitssucht
(2001)
Es wurde in dieser Studie das Merkmal Arbeitssucht mittels eines 174 Items umfassenden Fragebogens an 263 zufällig aus der Normalbevölkerung ausgewählten Probanden untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung wurden einer Faktorenanalyse unterzogen, die zeigte, daß das Merkmal Arbeitssucht Eindimensionalität besitzt, da nur ein inhaltlich homogener Faktor extrahiert werden konnte: Arbeitssucht als hohe Arbeitseinbezogenheit, die alle anderen Lebensbereiche dominiert, einhergehend mit Kontrollverlust über die Arbeitsmenge. Im nächsten Schritt wurde aus den erhobenen Daten mit Hilfe einer Itemanalyse eine Skala entwickelt, wofür die Items nach einem noch härteren Kriterium –nämlich der Trennschärfe- selektiert wurden. Die Skala bestand nun aus den 20 Items, welche die höchste Trennschärfe besaßen. Dabei zeigte die hohe Korrelation der Faktorwerte mit den Skalenwerten, daß der Genauigkeitsverlust durch die Itemreduktion sehr gering war. Um nun auch die allgemeine Anwendbarkeit dieser Skala nachzuweisen, wurde eine Reliabilitätsprüfung angeschlossen, die zum einen die Unabhängigkeit der Skala von formalen Kriterien und darüberhinaus von Alter und Geschlecht der Testpersonen nachwies, da zwischen den verschiedenen Kollektiven keine signifikanten Unterschiede in der Beantwortung der Aussagen gefunden werden konnten. Zum anderen konnte die hohe Zuverlässigkeit der Skala mittels Bestimmung des Reliabilitätskoeffizienten Cronbach´s Alpha, der Split-half-Reliabilität und der Retest-Reliabilität als härtestem Kriterium gezeigt werden. Somit war eine sehr zuverlässige Skala entstanden, die die Grundlage für einen Kurzfragebogen zur differenzierten Erfassung von Arbeitssucht bildete. Dieser kann zusammen mit anderen Inventaren zu Neurotizismus, Günstige/ Ungünstige Primärsozialisation und Zielgerichtetheit zur biographischen Typologisierungen für Personenbefragungen in der Allgemeinbevölkerung oder bei anderen Fragestellungen auch allein zur Quantifizierung von Arbeitssucht herangezogen werden.
Mutual coupling and injection locking of semiconductor lasers is of great interest in non-linear dynamics and its applications for instance in secure data communication and photonic reservoir computing. Despite its importance, it has hardly been studied in microlasers operating at mu W light levels. In this context, vertically emitting quantum dot micropillar lasers are of high interest. Usually, their light emission is bimodal, and the gain competition of the associated linearly polarized fundamental emission modes results in complex switching dynamics. We report on selective optical injection into either one of the two fundamental mode components of a bimodal micropillar laser. Both modes can lock to the master laser and influence the non-injected mode by reducing the available gain. We demonstrate that the switching dynamics can be tailored externally via optical injection in very good agreement with our theory based on semi-classical rate equations. (C) 2019 Optical Society of America under the terms of the OSA Open Access Publishing Agreement
The super-thermal photon bunching in quantum-dot (QD) micropillar lasers is investigated both experimentally and theoretically via simulations driven by dynamic considerations. Using stochastic multi-mode rate equations we obtain very good agreement between experiment and theory in terms of intensity profiles and intensity-correlation properties of the examined QD micro-laser's emission. Further investigations of the time-dependent emission show that super-thermal photon bunching occurs due to irregular mode-switching events in the bimodal lasers. Our bifurcation analysis reveals that these switchings find their origin in an underlying bistability, such that spontaneous emission noise is able to effectively perturb the two competing modes in a small parameter region. We thus ascribe the observed high photon correlation to dynamical multistabilities rather than quantum mechanical correlations.
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.