Microscopic Theory of Photon-Correlation Spectroscopy in Strong-Coupling Semiconductors

While many quantum-optical phenomena are already well established in the atomic systems, like the photon antibunching, squeezing, Bose-Einstein condensation, teleportation, the quantum-optical investigations in semiconductors are still at their beginning. The fascinating results observed in the atom...

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1. Verfasser: Schneebeli, Lukas
Beteiligte: Kira, Mackillo (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2009
Physik
Schlagworte:
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author Schneebeli, Lukas
spellingShingle Schneebeli, Lukas
Quantum dot
Photon-correlation spectroscopy
Quantum optics
Photonenkorrelation
Squeezed light
Jaynes-Cummings model
Physik
Quantenoptik
Halbleiter
Microscopic Theory of Photon-Correlation Spectroscopy in Strong-Coupling Semiconductors
Während viele quantenoptische Phänomene in kalten Atomgasen gut etabliert sind, wie der Einzelphotonenemission (photon antibunching), dem gequetschten Licht (squeezed light), der Bose-Einstein Kondensation, und der Teleportation, stehen die quantenoptischen Untersuchungen in Halbleitern erst noch am Anfang. Die faszinierenden Resultate, die man in den atomaren Systemen erzielt hat, inspirieren die Physiker, auch ähnliche quantenoptische Effekte in Halbleitersystemen nachzuweisen. Im Gegensatz zur Quantenoptik mit verdünnten Atomgasen hat man es im Halbleiter mit einem komplizierten Vielteilchenproblem zu tun, welches durch die Coulombwechselwirkung zwischen den Elektronen und Löchern und durch die Kopplung mit der Umgebung des Halbleitermaterials dominiert wird. Dies ist der Grund dafür, dass der experimentelle Nachweis ähnlicher quantenoptischer Effekte in Halbleitern sehr schwierig ist. Jedoch gibt es schon Experimente welche nichtklassische Effekte in Halbleitern nachgewiesen haben. Speziell hat man mit Halbleiter Quantenpunkten die Einphotonenemission und die Erzeugung von polarisations-verschränkten Photonenpaaren gemessen. In der Tat stellen atomare- und Halbleiterquantenpunkt-Systeme innerhalb einer Mikrokavität geeignete Plattformen dar, in denen man systematische quantenoptische Untersuchungen als auch Pionierarbeit hinsichtlich Anwendungen in der Quanteninformation durchführen kann. Ein anderes interessantes Gebiet ist das der starken Licht-Materie Kopplung, in welcher die Licht-Materie Wechselwirkung stärker ist als die Dekohärenzrate des Atoms oder des Quantenpunkts und der Kavität. Dies resultiert in eine reversible Dynamik zwischen Licht und Materieanregung. In diesem Regime der starken Licht-Materie Kopplung ist die Jaynes-Cummings Leiter vorhergesagt und zeigt eine photonenzahlabhängige Aufspaltung der neuen Polariton-Zustände. Obwohl der halbklassische Effekt der Vakuum-Rabi-Aufspaltung schon experimentell beobachtet wurde in Quantenpunkten, steht der eindeutige Nachweis der quantenmechanischen Jaynes-Cummings Aufspaltung hauptsächlich wegen Dephasierungseffekten noch aus. Es ist klar, dass die Beobachtung der Jaynes-Cummings Leiter in Quantenpunkten ein bedeutender Schritt wäre auf dem Gebiet der Quantenoptik in Halbleitern. Hier ist auch wieder zu erwähnen, dass die Anstrengungen in Quantenpunkten durch die atomaren Systeme vorangetrieben werden, in denen man nicht nur die Vakuum-Rabi-Aufspaltung, sondern auch den Zwei-Photonen Polariton (second rung) gemessen hat, z.B. mittels der direkten Spektroskopie und der Photonenkorrelationsmessungen. In dieser Dissertation wird gezeigt, dass spektralaufgelöste Photonenkorrelations-Messungen der Resonanzfluoreszenz von realistischen Halbleiter-Quantenpunkten einen eindeutigen Nachweis des Zwei-Photonen Polaritons liefern können. Eine mikroskopische Theorie wird verwendet, um das Auftreten des Zwei-Photonen Polaritons und dessen optimale Anregungsbedingungen herauszuarbeiten. Das berechnete Photonenkorrelations-Spektrum zeigt eine gigantische, experimentell robuste, Resonanz an der Emissionsfrequenz des Zwei-Photonen Polaritons. Die Resonanzfluoreszenz-Gleichungen werden hergeleitet und gelöst im Rahmen einer vollquantisierten Multimoden-Theorie unter Anwendung einer Cluster Entwicklungsmethode. Ein reduziertes Modell wird hergeleitet, um den Ursprung der Auto- und Kreuzkorrelationen in der Zwei-Photonenemission der Resonanzfluoreszenz zu erklären. Diese Resonanzen werden mit dem Zwei-Photonen Polariton der Jaynes-Cummings Leiter in Verbindung gebracht. Die Gültigkeit des reduzierten Modells wird mit Hilfe von numerischen Rechnungen bestätigt. Weiterhin zeigt der Formalismus die direkte Verbindung zwischen der gequetschten Lichtemission und den Zuständen der Jaynes-Cummings Leiter in optisch angeregten Halbleitern.
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contents Während viele quantenoptische Phänomene in kalten Atomgasen gut etabliert sind, wie der Einzelphotonenemission (photon antibunching), dem gequetschten Licht (squeezed light), der Bose-Einstein Kondensation, und der Teleportation, stehen die quantenoptischen Untersuchungen in Halbleitern erst noch am Anfang. Die faszinierenden Resultate, die man in den atomaren Systemen erzielt hat, inspirieren die Physiker, auch ähnliche quantenoptische Effekte in Halbleitersystemen nachzuweisen. Im Gegensatz zur Quantenoptik mit verdünnten Atomgasen hat man es im Halbleiter mit einem komplizierten Vielteilchenproblem zu tun, welches durch die Coulombwechselwirkung zwischen den Elektronen und Löchern und durch die Kopplung mit der Umgebung des Halbleitermaterials dominiert wird. Dies ist der Grund dafür, dass der experimentelle Nachweis ähnlicher quantenoptischer Effekte in Halbleitern sehr schwierig ist. Jedoch gibt es schon Experimente welche nichtklassische Effekte in Halbleitern nachgewiesen haben. Speziell hat man mit Halbleiter Quantenpunkten die Einphotonenemission und die Erzeugung von polarisations-verschränkten Photonenpaaren gemessen. In der Tat stellen atomare- und Halbleiterquantenpunkt-Systeme innerhalb einer Mikrokavität geeignete Plattformen dar, in denen man systematische quantenoptische Untersuchungen als auch Pionierarbeit hinsichtlich Anwendungen in der Quanteninformation durchführen kann. Ein anderes interessantes Gebiet ist das der starken Licht-Materie Kopplung, in welcher die Licht-Materie Wechselwirkung stärker ist als die Dekohärenzrate des Atoms oder des Quantenpunkts und der Kavität. Dies resultiert in eine reversible Dynamik zwischen Licht und Materieanregung. In diesem Regime der starken Licht-Materie Kopplung ist die Jaynes-Cummings Leiter vorhergesagt und zeigt eine photonenzahlabhängige Aufspaltung der neuen Polariton-Zustände. Obwohl der halbklassische Effekt der Vakuum-Rabi-Aufspaltung schon experimentell beobachtet wurde in Quantenpunkten, steht der eindeutige Nachweis der quantenmechanischen Jaynes-Cummings Aufspaltung hauptsächlich wegen Dephasierungseffekten noch aus. Es ist klar, dass die Beobachtung der Jaynes-Cummings Leiter in Quantenpunkten ein bedeutender Schritt wäre auf dem Gebiet der Quantenoptik in Halbleitern. Hier ist auch wieder zu erwähnen, dass die Anstrengungen in Quantenpunkten durch die atomaren Systeme vorangetrieben werden, in denen man nicht nur die Vakuum-Rabi-Aufspaltung, sondern auch den Zwei-Photonen Polariton (second rung) gemessen hat, z.B. mittels der direkten Spektroskopie und der Photonenkorrelationsmessungen. In dieser Dissertation wird gezeigt, dass spektralaufgelöste Photonenkorrelations-Messungen der Resonanzfluoreszenz von realistischen Halbleiter-Quantenpunkten einen eindeutigen Nachweis des Zwei-Photonen Polaritons liefern können. Eine mikroskopische Theorie wird verwendet, um das Auftreten des Zwei-Photonen Polaritons und dessen optimale Anregungsbedingungen herauszuarbeiten. Das berechnete Photonenkorrelations-Spektrum zeigt eine gigantische, experimentell robuste, Resonanz an der Emissionsfrequenz des Zwei-Photonen Polaritons. Die Resonanzfluoreszenz-Gleichungen werden hergeleitet und gelöst im Rahmen einer vollquantisierten Multimoden-Theorie unter Anwendung einer Cluster Entwicklungsmethode. Ein reduziertes Modell wird hergeleitet, um den Ursprung der Auto- und Kreuzkorrelationen in der Zwei-Photonenemission der Resonanzfluoreszenz zu erklären. Diese Resonanzen werden mit dem Zwei-Photonen Polariton der Jaynes-Cummings Leiter in Verbindung gebracht. Die Gültigkeit des reduzierten Modells wird mit Hilfe von numerischen Rechnungen bestätigt. Weiterhin zeigt der Formalismus die direkte Verbindung zwischen der gequetschten Lichtemission und den Zuständen der Jaynes-Cummings Leiter in optisch angeregten Halbleitern.
publisher Philipps-Universität Marburg
description While many quantum-optical phenomena are already well established in the atomic systems, like the photon antibunching, squeezing, Bose-Einstein condensation, teleportation, the quantum-optical investigations in semiconductors are still at their beginning. The fascinating results observed in the atomic systems inspire physicists to demonstrate similar quantum-optical effects also in the semiconductor systems. In contrast to quantum optics with dilute atomic gases, the semiconductors exhibit a complicated many-body problem which is dominated by the Coulomb interaction between the electrons and holes and by coupling with the semiconductor environment. This makes the experimental observation of similar quantum-optical effects in semiconductors demanding. However, there are already experiments which have verified nonclassical effects in semiconductors. In particular, experiments have demonstrated that semiconductor quantum dots (QDs) can exhibit the single-photon emission and generation of polarization-entangled photon pairs. In fact, both atom and QD systems, embedded within a microcavity, have become versatile platforms where one can perform systematic quantum-optics investigations as well as development work toward quantum-information applications. Another interesting field is the strong-coupling regime in which the light-matter coupling exceeds both the decoherence rate of the atom or QD and the cavity resulting in a reversible dynamics between light and matter excitations. In the strong-coupling regime, the Jaynes-Cummings ladder is predicted and shows a photon-number dependent splitting of the new dressed strong-coupling states which are the polariton states of the coupled light-matter system. Although the semiclassical effect of the vacuum Rabi splitting has already been observed in QDs, the verification of the quantum-mechanical Jaynes-Cummings splitting is still missing mainly due to the dephasing. Clearly, the observation of the Jaynes-Cummings ladder in QDs would be a great contribution in the growing field of quantum optics in semiconductors. The efforts in QD systems are again driven by the atomic systems which not only have shown the vacuum Rabi splitting, but also the second rung, e.g. via direct spectroscopy and via photon-correlation measurements. In this thesis, it is shown that spectrally resolved photon-statistics measurements of the resonance fluorescence from realistic semiconductor quantum-dot systems allow for high contrast identification of the two-photon strong-coupling states. Using a microscopic theory, the second-rung resonance of Jaynes-Cummings ladder is analyzed and optimum excitation conditions are determined. The computed photon-statistics spectrum displays gigantic, experimentally robust resonances at the energetic positions of the second-rung emission. The resonance fluorescence equations are derived and solved for strong-coupling semiconductor quantum-dot systems using a fully quantized multimode theory and a cluster-expansion approach. A reduced model is developed to explain the origin of auto- and cross-correlation resonances in the two-photon emission spectrum of the fluorescent light. These resonances are traced back to the two-photon strong-coupling states of Jaynes-Cummings ladder. The accuracy of the reduced model is verified via numerical solution of the resonance fluorescence equations. The analysis reveals the direct relation between the squeezed-light emission and the strong-coupling states in optically excited semiconductor systems.
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spelling diss/z2009/0720 urn:nbn:de:hebis:04-z2009-07201 Microscopic Theory of Photon-Correlation Spectroscopy in Strong-Coupling Semiconductors opus:2543 2010-01-26 2009-11-27 Mikroskopische Theorie der Photonenkorrelations-Spektroskopie in Halbleitern mit starker Licht-Materie Wechselwirkung 2011-08-10 Während viele quantenoptische Phänomene in kalten Atomgasen gut etabliert sind, wie der Einzelphotonenemission (photon antibunching), dem gequetschten Licht (squeezed light), der Bose-Einstein Kondensation, und der Teleportation, stehen die quantenoptischen Untersuchungen in Halbleitern erst noch am Anfang. Die faszinierenden Resultate, die man in den atomaren Systemen erzielt hat, inspirieren die Physiker, auch ähnliche quantenoptische Effekte in Halbleitersystemen nachzuweisen. Im Gegensatz zur Quantenoptik mit verdünnten Atomgasen hat man es im Halbleiter mit einem komplizierten Vielteilchenproblem zu tun, welches durch die Coulombwechselwirkung zwischen den Elektronen und Löchern und durch die Kopplung mit der Umgebung des Halbleitermaterials dominiert wird. Dies ist der Grund dafür, dass der experimentelle Nachweis ähnlicher quantenoptischer Effekte in Halbleitern sehr schwierig ist. Jedoch gibt es schon Experimente welche nichtklassische Effekte in Halbleitern nachgewiesen haben. Speziell hat man mit Halbleiter Quantenpunkten die Einphotonenemission und die Erzeugung von polarisations-verschränkten Photonenpaaren gemessen. In der Tat stellen atomare- und Halbleiterquantenpunkt-Systeme innerhalb einer Mikrokavität geeignete Plattformen dar, in denen man systematische quantenoptische Untersuchungen als auch Pionierarbeit hinsichtlich Anwendungen in der Quanteninformation durchführen kann. Ein anderes interessantes Gebiet ist das der starken Licht-Materie Kopplung, in welcher die Licht-Materie Wechselwirkung stärker ist als die Dekohärenzrate des Atoms oder des Quantenpunkts und der Kavität. Dies resultiert in eine reversible Dynamik zwischen Licht und Materieanregung. In diesem Regime der starken Licht-Materie Kopplung ist die Jaynes-Cummings Leiter vorhergesagt und zeigt eine photonenzahlabhängige Aufspaltung der neuen Polariton-Zustände. Obwohl der halbklassische Effekt der Vakuum-Rabi-Aufspaltung schon experimentell beobachtet wurde in Quantenpunkten, steht der eindeutige Nachweis der quantenmechanischen Jaynes-Cummings Aufspaltung hauptsächlich wegen Dephasierungseffekten noch aus. Es ist klar, dass die Beobachtung der Jaynes-Cummings Leiter in Quantenpunkten ein bedeutender Schritt wäre auf dem Gebiet der Quantenoptik in Halbleitern. Hier ist auch wieder zu erwähnen, dass die Anstrengungen in Quantenpunkten durch die atomaren Systeme vorangetrieben werden, in denen man nicht nur die Vakuum-Rabi-Aufspaltung, sondern auch den Zwei-Photonen Polariton (second rung) gemessen hat, z.B. mittels der direkten Spektroskopie und der Photonenkorrelationsmessungen. In dieser Dissertation wird gezeigt, dass spektralaufgelöste Photonenkorrelations-Messungen der Resonanzfluoreszenz von realistischen Halbleiter-Quantenpunkten einen eindeutigen Nachweis des Zwei-Photonen Polaritons liefern können. Eine mikroskopische Theorie wird verwendet, um das Auftreten des Zwei-Photonen Polaritons und dessen optimale Anregungsbedingungen herauszuarbeiten. Das berechnete Photonenkorrelations-Spektrum zeigt eine gigantische, experimentell robuste, Resonanz an der Emissionsfrequenz des Zwei-Photonen Polaritons. Die Resonanzfluoreszenz-Gleichungen werden hergeleitet und gelöst im Rahmen einer vollquantisierten Multimoden-Theorie unter Anwendung einer Cluster Entwicklungsmethode. Ein reduziertes Modell wird hergeleitet, um den Ursprung der Auto- und Kreuzkorrelationen in der Zwei-Photonenemission der Resonanzfluoreszenz zu erklären. Diese Resonanzen werden mit dem Zwei-Photonen Polariton der Jaynes-Cummings Leiter in Verbindung gebracht. Die Gültigkeit des reduzierten Modells wird mit Hilfe von numerischen Rechnungen bestätigt. Weiterhin zeigt der Formalismus die direkte Verbindung zwischen der gequetschten Lichtemission und den Zuständen der Jaynes-Cummings Leiter in optisch angeregten Halbleitern. While many quantum-optical phenomena are already well established in the atomic systems, like the photon antibunching, squeezing, Bose-Einstein condensation, teleportation, the quantum-optical investigations in semiconductors are still at their beginning. The fascinating results observed in the atomic systems inspire physicists to demonstrate similar quantum-optical effects also in the semiconductor systems. In contrast to quantum optics with dilute atomic gases, the semiconductors exhibit a complicated many-body problem which is dominated by the Coulomb interaction between the electrons and holes and by coupling with the semiconductor environment. This makes the experimental observation of similar quantum-optical effects in semiconductors demanding. However, there are already experiments which have verified nonclassical effects in semiconductors. In particular, experiments have demonstrated that semiconductor quantum dots (QDs) can exhibit the single-photon emission and generation of polarization-entangled photon pairs. In fact, both atom and QD systems, embedded within a microcavity, have become versatile platforms where one can perform systematic quantum-optics investigations as well as development work toward quantum-information applications. Another interesting field is the strong-coupling regime in which the light-matter coupling exceeds both the decoherence rate of the atom or QD and the cavity resulting in a reversible dynamics between light and matter excitations. In the strong-coupling regime, the Jaynes-Cummings ladder is predicted and shows a photon-number dependent splitting of the new dressed strong-coupling states which are the polariton states of the coupled light-matter system. Although the semiclassical effect of the vacuum Rabi splitting has already been observed in QDs, the verification of the quantum-mechanical Jaynes-Cummings splitting is still missing mainly due to the dephasing. Clearly, the observation of the Jaynes-Cummings ladder in QDs would be a great contribution in the growing field of quantum optics in semiconductors. The efforts in QD systems are again driven by the atomic systems which not only have shown the vacuum Rabi splitting, but also the second rung, e.g. via direct spectroscopy and via photon-correlation measurements. In this thesis, it is shown that spectrally resolved photon-statistics measurements of the resonance fluorescence from realistic semiconductor quantum-dot systems allow for high contrast identification of the two-photon strong-coupling states. Using a microscopic theory, the second-rung resonance of Jaynes-Cummings ladder is analyzed and optimum excitation conditions are determined. The computed photon-statistics spectrum displays gigantic, experimentally robust resonances at the energetic positions of the second-rung emission. The resonance fluorescence equations are derived and solved for strong-coupling semiconductor quantum-dot systems using a fully quantized multimode theory and a cluster-expansion approach. A reduced model is developed to explain the origin of auto- and cross-correlation resonances in the two-photon emission spectrum of the fluorescent light. These resonances are traced back to the two-photon strong-coupling states of Jaynes-Cummings ladder. The accuracy of the reduced model is verified via numerical solution of the resonance fluorescence equations. The analysis reveals the direct relation between the squeezed-light emission and the strong-coupling states in optically excited semiconductor systems. 2009 Schneebeli, Lukas Schneebeli Lukas ths Prof. Dr. Kira Mackillo Kira, Mackillo (Prof. Dr.) Philipps-Universität Marburg
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