1 Kropki kwantowe jako nieklasyczne źródła światłaJan Gaj Instytut Fizyki Doświadczalnej 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

2 Seminarium KMMF WarszawaPlan Motywacja Jak się robi i ogląda kropki kwantowe? Skale czasu Splątane fotony z kropki: stan badań Wzbudzenie: pojedynczo czy parami? Splątanie i rola anizotropii Pamięć spinowa Transfer energii i spinu między kropkami Kropka z jednym jonem magnetycznym Podsumowanie 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

3 Splątane fotony przesyłają pieniądzePhotonics Research June 2004 Edition Researchers at Universität Wien and the Austrian Academy of Sciences in Vienna, Austria, the Austrian Research Center in Seibersdorf and Ludwig Maximilians Universität in Munich, Germany, have demonstrated a new way to put valuables under lock and key. The group recently reported the transfer of €3000 over a 1.45-km link between Vienna City Hall and the headquarters of Bank-Austria Creditanstalt using quantum cryptography. 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

4 Splątane fotony przesyłają pieniądzeAnton Zeilinger A code key generated via quantum key distribution has been used to ensure a completely secure wire transfer. The setup relies on the production of entangled photon pairs by spontaneous parametric down-conversion in a nonlinear crystal. 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

5 Polarization entangled photon pairs4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

6 Seminarium KMMF WarszawaKomputer kwantowy 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

7 Jak wytworzyć splątane fotony?A. Zeilinger, Scientific American, April 2000 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

8 Dlaczego półprzewodniki?Małe rozmiary i zużycie energii Integracja z mikroelektroniką Dobrze rozwinięta technologia Źródło splątanych fotonów: kropka kwantowa (jedna!) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

9 MBE Epitaksja z wiązki molekularnej4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

10 Seminarium KMMF WarszawaAparatura MBE 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

11 Studnia kwantowa: rezonator jednowymiarowyJak flet prosty 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

12 Dyfrakcja elektronów RHEED4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

13 „dobry” i „zły” obraz RHEED4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

14 MBE - możliwości jak nigdy przedtemStudnie kwantowe Możliwość zmiany składu warstwy z precyzją ułamka nanometra Atomowo gładkie powierzchnie Ale... 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

15 Nieudany wzrost MBE: warstwa nie pasuje do podłożaVolmer-Weber Stranski-Krastanov Frank-van der Merwe 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

16 Kropka kwantowa: rezonator trójwymiarowyJak okaryna Skutek: widma liniowe kropek (jak w atomach) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

17 Seminarium KMMF WarszawaOglądanie kropek: AFM Pierwowzór: igła gramofonu 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

18 Seminarium KMMF WarszawaMikroskop AFM 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

19 Seminarium KMMF WarszawaKropki kwantowe 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

20 Jedna kropka InAs/GaAs4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa D.M. Bruls et al., 2001

21 Kwazicząstki w półprzewodniku- + + - elektron (w paśmie przewodnictwa) dziura (w paśmie walencyjnym) nośniki ładunku elektrycznego - + - + - + trion CX biekscyton XX ekscyton X (Wanniera - Motta) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

22 Splątane fotony z kropki kwantowejMetoda: kaskada biekscyton - ekscyton Kłopot: anizotropia Biekscyton Ekscyton Pusta kropka Zniesiona degeneracja Polaryzacje liniowe Nie ma splątania 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

23 Weryfikacja: korelacje fotonówKorelacja drugiego rzędu: prawdopodobieństwo detekcji drugiego fotonu gdy pierwszy wykryto w  = 0 Test splątania: skorelowana polaryzacja (liniowa i kołowa) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

24 Już zrobione Do zrobieniaPary splątanych fotonów z kropki kw. (InAs, 2006) Kompensacja anizotropii polem magnetycznym1 Selekcja spektralna2 Opanowanie emisji par fotonów splątanych Wyższe temperatury Szerszy zakres energii fotonów 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa 1Young et al., Akopian et al., 2006

25 Seminarium KMMF WarszawaCo badamy? Jakimi narzędziami? (w jednej kropce) (techniki doświadczalne) Dynamika obsadzeń stany ładunkowe stany spinowe Testy splątania Symetria pomiar sterowanie Sprzężenie kropek Z ostatniej chwili: jeden jon manganu Mikroluminescencja Pobudzenie dwuimpulsowe Korelacje fotonów Widma wzbudzenia > Rola polaryzacji > Źródła strojone > Rozdzielczość czasowa 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

26 Próbki z kropkami II-VIwytworzone w IF PAN CdTe QD ← nm ZnTe ← 2  6 ml CdTe CdTe GaAs 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa P. Wojnar et al., 2004

27 Mikrofotoluminescencja kropek kwantowychsingle QD emission Mikroskop (rozdzielczość <1m) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

28 Czasy charakterystyczne< 1 ps: generacja par elektron - dziura ~ 10 ps: pułapkowanie w kropce < 1 ns: rekombinacja promienista >> 10 ns: pamięć spinowa 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

29 Pobudzenie dwuimpulsoweZwierciadło 13.2 ns Płytka światłodzieląca Z lasera opóźnienie Zwierciadło przesuwane Do próbki 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa B. Piechal et al., 2005

30 Pobudzenie dwuimpulsoweX Rekombinacja promienista Time-integrated PL intensity CX Pułapkowanie nośników XX Delay (ps) Wniosek: niejednoczesne pułapkowanie elektronów i dziur 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa B. Piechal et al., 2005

31 Układ Hanbury-Browna i Twissakriostat próbka (pole magnetyczne do 8T) wzbudzenie: impuls <1ps okres 6.6ns  = 401nm mikroskop Optyka polaryzacyjna CCD CCD spektrografy Diody lawinowe STOP START Zliczanie koincydencji 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

32 Układ Hanbury-Browna i Twissaod lasera do próbki 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

33 Dynamika stanu ładunkowego: korelacje trion (CX) – ekscyton (X) >0 ↔ X po CX  <0 ↔ CX po X START CX czas  STOP X START czas  X STOP CX 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa J. Suffczyński et al., PRB 2006

34 Seminarium KMMF WarszawaKomplet korelacji Parametry dopasowania prawdopodobieństwa pułapkowania nośników: α = 0.86 β = 0.80 ekscytonu: ξ = 0.26 kaskada XX-X 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa (kolejność START − STOP dla  > 0) J. Suffczyński et al., PRB 2006

35 Seminarium KMMF WarszawaTesty splątania, B = 0 H V B = 0 XX AES X wniosek: brak splątania, o polaryzacji emisji decyduje anizotropia 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa J. Suffczyński et al., 2007

36 Wpływ pola magnetycznego (konfiguracja Faradaya)B = 0 B > 0, B||z biekscyton V H - + ekscyton AES ~gXBB V H + - pusta kropka 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

37 Seminarium KMMF WarszawaTesty splątania, B = 5 T wniosek: brak splątania, o polaryzacji emisji decyduje efekt Zeemana 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa J. Suffczyński et al., 2007

38 Pomiar małego rozszczepienia anizotropowego2.229 2.23 2.231 50 100 150 200 250 300 350 Energy Angle Angle (deg) Energy (eV) AES = meV 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

39 Pole elektryczne i anizotropia4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa K. Kowalik et al. (2007)

40 Precyzyjniej: orientacja optyczna? foton Ekscyton foton Pusta kropka 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa K. Kowalik et al. (2007)

41 Pole magnetyczne i anizotropiaMagnetic field [T] AES [meV] 2 4 6 0.10 0.14 0.18 1.8904 1.891 Energy [eV] m -PL B=0 eksperyment model 2 4 6 8 10 Magnetic Field [T] [meV] 0.45 p Angle J-2f [rad] Wzrost lub spadek rozszczepienia, zależnie od kierunku pola 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa K. Kowalik et al., PRB 2007

42 Mechanizm wpływu pola magnetycznego na anizotropowe rozszczepienie wymienneMieszanie lekkich i ciężkich dziur dodatnie ujemne symetria kubiczna [meV] 0.45 2 4 6 8 10 Magnetic Field [T] p Angle J-2f [rad] 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa K. Kowalik et al., 2007

43 Seminarium KMMF WarszawaPamięć spinowa? CX X s- s+ czas  narzędzie: korelacja CX – X 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa J. Suffczyński et al., 2007

44 CX-X, B = 5 T pamięć spinowaCzas relaksacji spinowej znacznie dłuższy od okresu repetycji 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa J. Suffczyński et al., 2007

45 Sprzężenie między kropkami: widmo wzbudzeniaOstre rezonanse w pobudzanej kropce 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa T. Kazimierczuk et al., 2007

46 Wspólny rezonans dla różnych stanów ładunkowych kropki świecącejExcitation energy (meV) PL energy (meV) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa T. Kazimierczuk et al., 2007

47 Różna orientacja anizotropii+45º -45º Excitation energy (meV) PL energy (meV) 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa T. Kazimierczuk et al., 2007

48 Efekt Zeemana we wzbudzeniu4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa T. Kazimierczuk et al., 2007

49 Orientacja optyczna w polu 5 TXX CX UX X negative positive positive 2074.2 + - 2074.0 + Exc. energy (meV) 2073.8 2073.6 - 2073.4 Emission energy (meV) Transfer spinu między kropkami 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

50 Optical orientation at 5 TXX CX UX X 2074.2 2074.0 Exc. energy (meV) 2073.8 2073.6 2073.4 Emission energy (meV) Emission polarization degree Excitation polarization + - X 0.23 -0.17 UX 0.77 -0.65 CX -0.55 0.37 XX -0.02 -0.03 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

51 Z ostatniej chwili: jeden jon Mn4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa A. Golnik, S. Czajka, et al., 2007

52 Seminarium KMMF WarszawaPodsumowanie X     =  O polaryzacji emisji decyduje anizotropia lub efekt Zeemana Szybkie pułapkowanie nośników Zmiany stanu ładunkowego Pamięć spinowa Transfer energii i spinu między kropkami Kropki z jednym jonem manganu       4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

53 Seminarium KMMF WarszawaPodsumowanie Półprzewodnikowa kropka kwantowa: wiele możliwości zastosowania Dynamika w zakresie od ps do wielu ns Anizotropia: przeszkoda na drodze do fotonów splątanych Rada: pole elektryczne, magnetyczne? Spin w kropkach: pamięć, transfer, Mn 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

54 Seminarium KMMF WarszawaWspółpraca Uniwersytet Warszawski S. Czajka, M. Goryca, T. Kazimierczuk, K. Kowalik, B. Piechal, J. Suffczyński, A. Golnik, P. Kossacki, M. Nawrocki IF PAN P. Wojnar, J. Kossut CNRS Marcoussis A. Lemaitre, O. Krebs, S. Laurent, P. Senellart, P. Voisin 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa

55 Seminarium KMMF WarszawaDziękuję za uwagę 4 października 2007 Seminarium KMMF Warszawa