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Ultraschnelle elektrische Kontrolle optischer Eigenschaften und Übergänge einzelner Halbleiter-Quantenpunkte : = Ultrafast electrical control of optical properties and transitions of single semiconductor quantum dots
Ort / Verlag
Paderborn
Erscheinungsjahr
2018
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 17.12.2018
ger: In dieser Arbeit wird ein neues und hervorragend skalierbares Konzept zur kohärenten Phasenmanipulation von Halbleiter-Quantenpunkten demonstriert. Dabei werden Pikosekunden Laserpulse lediglich zur Erzeugung einer exzitonischen Population verwendet. Die kohärente Manipulation des Qubits erfolgt hingegen rein elektrisch. Dieser Ansatz etabliert mit neuartigen Funktionalitäten und Konzepten ein neues Gebiet, das wir als kohärente Optoelektronik bezeichnen. Die kohärente optoelektronische Kontrolle eines Exziton-Qubits basiert dabei auf der Frequenzkontrolle mittels transienter Stark-Verschiebung. In dem in dieser Arbeit vorgestellten Protokoll werden optische Pulspaare lediglich zur Initiierung eines Superpositionszustands sowie zur quantenmechanischen Interferenz benutzt, wobei die Laserpulse konstante Amplitude sowie eine feste Phasenbeziehung zueinander aufweisen. Zwischenden Laserpulsen wird mittels elektrischen Pulsen die kohärente Phase des Quantensystems kontrolliert. Dieser neuartige Ansatz erlaubt die Realisierung skalierbarer und zeitlich hochdynamischer kohärenter optoelektronischer Bauelemente. Zur Erzeugung elektrischer Pulse wurde in dieser Arbeit SiGe BiCMOS Technologie erfolgreich in Kombination mit InGaAs Quantenpunkten eingesetzt. Die Quantenpunkte sind dabei in neu entwickelte, niederkapazitive GaAs Schottky-Photodioden eingebettet. Dabei konnten mit dem Fokus auf die Chip-Integration ultraschnelle, stromsparende Chips realisiert werden, die bei einer Temperatur von 4.2 K eingesetzt werden können. Mit diesem Ansatz konnte gezeigt werden, dass eine kohärente Phasenänderung eines einzelnen Exziton-Qubits um bis zu 3pi innerhalb von 100 ps realisiert werden kann. Weiterhin wurde eine elektrisch induzierte, robuste Zustandspräparation mittels Rapid Adiabatic Passage an InGaAs Quantenpunkt-Exzitonen demonstriert.
eng: This work demonstrates a new and highly scalable concept for coherent phase manipulation of semiconductor quantum dots. Picosecond laser pulses are only used to generate an excitonic population, the coherent manipulation of the qubit is purely electrical. This approach establishes a new field with novel functionalities and concepts, which we call coherent optoelectronics. The coherent optoelectronic control of an exciton qubit is based on the frequency control by means of transient Stark-Shift. In the protocol presented in this dissertation, optical pulse pairs are used only for preparation a superposition state and for quantummechanical interference, where the laser pulses have a constant amplitude and a fixed phase relationship to each other. Between the laser pulses, the coherent phase of thequantum system is controlled by means of electrical pulses. This novel approach allows the realization of scalable and highly dynamic coherent optoelectronic devices. For the generation of electrical pulses, SiGe BiCMOS technology in combination with InGaAs quantum dots was successfully used in this thesis. The quantum dots are embedded in newly developed, low capacitance GaAs Schottky photodiodes. With the focus on chip integration, ultrafast, power-saving chips could be realized that can be used at a temperature of 4.2 K. With this approach it could be shown that a coherent phasechange of a single exciton qubit by up to 3pi within 100 ps can be realized. Furthermore, an electrically induced, robust state preparation was demonstrated using Rapid Adiabatic Passage on InGaAs quantum dot excitons.