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Matthias Weiß

• Semiconductor quantum dots (QD) are considered to be an essential part of future quantum technologies due to their superior performance as an efficient source of single and indistinguishable photons. Such single photons are necessary to transport quantum information over large distances via established fibre optic networks. A fundamental requirement for these single photon sources is the possibility to precisely tune and modulate their emission energy. Due to the solid-state nature of semiconductor quantum dots, this is possible through the use of the deformation potential coupling. The main focus of this work is the control and manipulation of the optical properties of single quantum dots via the deformation potential induced by surface acoustic waves (SAW). These are mechanical waves that propagate along the surface of a crystal and can easily be excited electrically by interdigital transducers on piezoelectric substrates. First, the modulation of the quantum dot transition energySemiconductor quantum dots (QD) are considered to be an essential part of future quantum technologies due to their superior performance as an efficient source of single and indistinguishable photons. Such single photons are necessary to transport quantum information over large distances via established fibre optic networks. A fundamental requirement for these single photon sources is the possibility to precisely tune and modulate their emission energy. Due to the solid-state nature of semiconductor quantum dots, this is possible through the use of the deformation potential coupling. The main focus of this work is the control and manipulation of the optical properties of single quantum dots via the deformation potential induced by surface acoustic waves (SAW). These are mechanical waves that propagate along the surface of a crystal and can easily be excited electrically by interdigital transducers on piezoelectric substrates. First, the modulation of the quantum dot transition energy by surface acoustic waves is studied closely by analysing the photoluminescence signal of a dynamically strained quantum dot. Different experimental measurement techniques, that allow for different deep insights into the underlying processes, are introduced and the corresponding measurement data is shown. Next, the concept of frequency chirped transducers is presented. The design of these transducers allows them to excite surface acoustic waves over broad frequency bands rather than only at discrete frequencies. This capability is demonstrated by monitoring the optomechanical response of a single quantum dot over a broad range of surface acoustic wave frequencies. Furthermore, the properties of frequency chirped transducers are exploited to phase-lock the frequency of a surface acoustic wave to the repetition rate of a pulsed laser source and thus allowing for the realisation of stroboscopic SAW spectroscopy. In order to obtain single photons of superior quality concerning coherence and indistinguishability, resonant optical excitation is employed. Of particular interest is the optical resonance fluorescence signal of a quantum dot dynamically strained by a surface acoustic wave. In this regime, the formation of discrete phononic sidebands can be observed in the emission spectrum. This can be interpreted by the absorption of a discrete number of phonons from the acoustic field or the emission of phonons into the acoustic field. The formation of these phononic sidebands is studied in great detail as function of both modulation frequency and amplitude, as well as optical detuning between the resonant light field and the transition energy of the QD. In the latter case, parametric energy transfer between the optical and the acoustic domain can be observed. In the next step, the QD is dynamically modulated not by one, but by two SAWs of different frequency. In this scenario, the photon spectrum shows additional phonon sidebands which correspond to the sum and difference frequencies of both SAWs and thus showing optomechanical wave mixing of two SAW fields and the optical laser field by the QD transition. Furthermore, phase matching schemes are employed by precisely controlling the relative phase between the mutually coherent SAW fields, enabling deterministic enhancement and suppression of individual sidebands. The high stability, only limited by the capabilities of modern rf electronics, of this phase matching scheme is demonstrated. Finally, the possibility to enhance the coupling of quantum dots to both photonic and phononic fields by placing these in appropriately adapted environments, so called photonic and phononic crystals, is considered. In this context, a coupled system consisting of a single quantum dot and a photonic nano-cavity is investigated in detail. For this arrangement, a surface acoustic wave is used to dynamically tune the two components in and out of resonance. This has a strong influence on the emission rate of the quantum dot due to the Purcell effect and is ultimately used to realise an acoustically triggered single photon source.…
• Halbleiter-Quantenpunkte (engl. Quantum dot, QD) werden aufgrund ihrer überlegenen Leistung als effiziente Quelle von einzelnen und ununterscheidbaren Photonen als wesentlicher Bestandteil zukünftiger Quantentechnologien angesehen. Solche Einzelphotonen sind notwendig, um den Transport von Quanteninformationen über große Entfernungen durch etablierte Glasfasernetzwerke zu ermöglichen. Eine grundlegende Anforderung an Einzelphotonenquellen ist die Möglichkeit, ihre Emissionsenergie präzise abzustimmen und modulieren zu können. Da es sich bei Halbleiter-Quantenpunkten um Festkörpersysteme handelt, ist dies für diese auf Grundlage der Deformationspotentialkopplung möglich. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Steuerung und Manipulation der optischen Eigenschaften einzelner Quantenpunkte durch das Deformationspotential, welches von akustischen Oberflächenwellen (engl. surface acoustic wave, SAW) induziert wird. Dabei handelt es sich um mechanische Wellen, die sich auf der OberflächeHalbleiter-Quantenpunkte (engl. Quantum dot, QD) werden aufgrund ihrer überlegenen Leistung als effiziente Quelle von einzelnen und ununterscheidbaren Photonen als wesentlicher Bestandteil zukünftiger Quantentechnologien angesehen. Solche Einzelphotonen sind notwendig, um den Transport von Quanteninformationen über große Entfernungen durch etablierte Glasfasernetzwerke zu ermöglichen. Eine grundlegende Anforderung an Einzelphotonenquellen ist die Möglichkeit, ihre Emissionsenergie präzise abzustimmen und modulieren zu können. Da es sich bei Halbleiter-Quantenpunkten um Festkörpersysteme handelt, ist dies für diese auf Grundlage der Deformationspotentialkopplung möglich. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Steuerung und Manipulation der optischen Eigenschaften einzelner Quantenpunkte durch das Deformationspotential, welches von akustischen Oberflächenwellen (engl. surface acoustic wave, SAW) induziert wird. Dabei handelt es sich um mechanische Wellen, die sich auf der Oberfläche eines Kristalles ausbreiten können und sich auf piezoelektrischen Substraten leicht durch Interdigitaltransducer elektrisch anregen lassen. Zunächst wird die Modulation der Emissionsenergie eines Quantenpunktes durch akustische Oberflächenwellen untersucht, in dem die Photolumineszenz eines Quantenpunktes unter dem Einfluss einer akustischen Oberflächenwelle analysiert wird. Es werden verschieden experimentelle Messtechniken vorgestellt, die unterschiedlich tiefe Einblicke in die zugrundeliegenden Prozesse ermöglichen und entsprechende Messdaten präsentiert. Als nächstes wird das Konzept von frequenz-gechirpten Transducern eingeführt. Das Design dieser Schallwandler ermöglicht es ihnen, akustische Oberflächenwellen nicht nur bei diskreten Frequenzen, sondern über breite Frequenzbänder hinweg, anzuregen. Diese Fähigkeit wird demonstriert, indem die optomechanische Antwort eines einzelnen Quantenpunkts über einen weiten Bereich von Oberflächenwellenfrequenzen untersucht wird. Darüber hinaus werden die Eigenschaften von frequenz-gechirpten Transducern ausgenutzt, um eine stabile Phasenbeziehung zwischen der Frequenz einer akustischen Oberflächenwelle und der Wiederholungsrate einer gepulsten Laserquelle herzustellen und somit stroboskopische SAW-Spektroskopie zu ermöglichen. Um Einzelphotonen von überlegener Qualität hinsichtlich ihrer Kohärenz und Ununterscheidbarkeit zu erhalten, wird zu einer resonanten optischen Anregung der Quantenpunkte übergegangen. Von besonderem Interesse ist dabei die resonante Fluoreszenz eines Quantenpunktes, der dynamisch durch eine akustische Oberflächenwelle moduliert wird. In diesem Regime kann die Bildung diskreter phononischer Seitenbänder im Emissionsspektrum beobachtet werden. Dies kann durch die Absorption einer diskreten Anzahl von Phononen aus dem akustischen Feld, beziehungsweise die Emission von Phononen in das akustische Feld interpretiert werden. Die Bildung dieser phononischen Seitenbänder wird sowohl in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz und -amplitude, als auch der optischen Verstimmung zwischen dem resonanten Lichtfeld und der Übergangsenergie des QD eingehend untersucht. Im letzteren Fall kann dabei ein parametrischer Energietransfer zwischen der optischen und der akustischen Domäne beobachtet werden. Im nächsten Schritt wird der QD nicht nur durch eine, sondern durch zwei SAWs unterschiedlicher Frequenz dynamisch moduliert. In diesem Szenario zeigt das Emissionsspektrum zusätzliche phononische Seitenbänder, deren Position der Summen- und Differenzfrequenzen beider SAWs entsprechen. Dies zeigt somit die optomechanische Wellenmischung zweier SAW-Felder und des optischen Lichtfeldes durch den QD-Übergang. Darüber hinaus wird, indem die relative Phase zwischen den zueinander kohärenten SAW-Feldern genau eingestellt wird, eine Phasenanpassung ermöglicht, wodurch eine deterministische Verstärkung und Unterdrückung einzelner Seitenbänder erreicht wird. Die hohe Stabilität dieser Phasenanpassung, die nur durch die Leistungsfähigkeit moderner Hochfrequenz-Elektronik begrenzt ist, wird experimentell gezeigt. Abschließend wird die Möglichkeit betrachtet, die Kopplung eines Quantenpunktes an photonische und phononische Felder zu verstärken, in dem diese in entsprechende angepasste Umgebungen, sogenannten photonischen und phononischen Kristallen, platziert werden. In diesem Zusammenhang wird ein gekoppeltes System, bestehend aus einem einzelnen Quantenpunkt und einem photonischen Nanoresonator, im Detail betrachtet. Dabei wird eine akustische Oberflächenwelle verwendet, um die beiden Komponenten eines solchen Systems dynamisch in und aus der Resonanz zu bringen. Dies hat aufgrund des Purcell-Effekts einen starken Einfluss auf die Emissionsrate des Quantenpunkts und wird letztendlich zur Realisierung einer akustisch ausgelösten Einzelphotonenquelle verwendet.…