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Emeline Denise Sophie Nysten

• Acoustic phonons, in the form of elastic waves, couple easily to many excitations present in condensed matter which makes them ideally suited for the design and realization of hybrid quantum systems. In this context, surface acoustic waves (SAWs), mechanical waves confined to the surface of solid state substrates and generated by interdigital transducers (IDTs) on piezoelectric substrates, have been proven to be a useful tool for the control of quantum systems. In parallel, semiconductor quantum dots (QDs) have also been considered as an essential part of future quantum systems and technology as an optically active and addressable two-level system and as an efficient source of single and indistinguishable photons. In this work, we focus on the control of optically active semiconductor QDs by the mechanical field of a SAW through the deformation potential coupling. The strength of this interaction can be quantified by a coupling parameter just like for many hybrid quantum devices, inAcoustic phonons, in the form of elastic waves, couple easily to many excitations present in condensed matter which makes them ideally suited for the design and realization of hybrid quantum systems. In this context, surface acoustic waves (SAWs), mechanical waves confined to the surface of solid state substrates and generated by interdigital transducers (IDTs) on piezoelectric substrates, have been proven to be a useful tool for the control of quantum systems. In parallel, semiconductor quantum dots (QDs) have also been considered as an essential part of future quantum systems and technology as an optically active and addressable two-level system and as an efficient source of single and indistinguishable photons. In this work, we focus on the control of optically active semiconductor QDs by the mechanical field of a SAW through the deformation potential coupling. The strength of this interaction can be quantified by a coupling parameter just like for many hybrid quantum devices, in this case, it is the optomechanical coupling parameter gOM linking the modulation of the emission energy as a function of the surface displacement of the SAW. In this thesis, the goal is to increase the optomechanical coupling between the two systems. For this purpose, the III-V semiconductor quantum dots are transferred onto a strong piezoelectric substrate, LiNbO3. After a brief introduction on surface acoustic waves, semiconductor quantum dots and their interaction, the fabrication technique used to create the hybrid devices analysed in this work is presented. This technique, called epitaxial lift-off, is used to release a QD membrane from its GaAs substrate to transfer it onto a LiNbO3 SAW-chip. Next, the coupling of the surface acoustic waves is studied first through finite element simulations which show an increased optomechanical coupling parameter due to a localisation of the SAW field inside the membrane for increasing SAW frequency. The simulations results are confirmed by fabricating and measuring an hybridised SAW sample. The coupling of the wave to the membrane is quantified by measuring both the SAW signal transmitted across the hybridised delay line and the optomechanical response of the dots inside the epilayer. To further increase the sound-matter coupling, the epilayer was transferred inside a SAW resonator cavity where both the electrical reflection of the resonator and the optomechanical coupling of the dots to the resonator modes were recorded. The QD-SAW coupling exhibits a more complex behaviour than expected and finite element method simulations show that the origin of this behaviour is not the classical linear deformation potential coupling. Finally, the transferred epilayer can be patterned into more complex structures such as photonic ring resonators and their access waveguides. The interaction between the SAW, the QDs and the resonators was measured and analysed. The QDs were tuned in and out of resonance with the ring resonator modes. In addition to the photonic modes, the emergence of phononic resonances was observed. These phononic resonances showed an interesting non-linear behaviour which is analysed in more detail.…
• Akustische Phononen in Form von elastischen Wellen koppeln leicht an viele Anregungen in kondensierter Materie, wodurch sie sich ideal für die Entwicklung und die Realisierung hybrider Quantensysteme eignen. In diesem Zusammenhang haben sich akustische Oberflächenwellen (SAWs), mechanische Wellen, deren Ausbreitung auf die Oberfläche von Festkörsubstraten beschränkt ist und mittels Interdigitalwandlern (IDTs) auf piezoelektrischen Substraten erzeugt werden können, als nützliches Werkzeug zur Steuerung von Quantensystemen erwiesen. Gleichzeitig werden Halbleiter-Quantenpunkte (QDs) als wesentlicher Bestandteil zukünftiger Quantensysteme und -technologien betrachtet, da es sich bei diesen um optisch aktive und einzeln ansprechbare Zwei-Niveau-Systeme und damit um effiziente Quellen einzelner und ununterscheidbarer Photonen handelt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Kontrolle optisch aktiver Halbleiter-QDs durch das mechanische Feld einer SAW mittels derAkustische Phononen in Form von elastischen Wellen koppeln leicht an viele Anregungen in kondensierter Materie, wodurch sie sich ideal für die Entwicklung und die Realisierung hybrider Quantensysteme eignen. In diesem Zusammenhang haben sich akustische Oberflächenwellen (SAWs), mechanische Wellen, deren Ausbreitung auf die Oberfläche von Festkörsubstraten beschränkt ist und mittels Interdigitalwandlern (IDTs) auf piezoelektrischen Substraten erzeugt werden können, als nützliches Werkzeug zur Steuerung von Quantensystemen erwiesen. Gleichzeitig werden Halbleiter-Quantenpunkte (QDs) als wesentlicher Bestandteil zukünftiger Quantensysteme und -technologien betrachtet, da es sich bei diesen um optisch aktive und einzeln ansprechbare Zwei-Niveau-Systeme und damit um effiziente Quellen einzelner und ununterscheidbarer Photonen handelt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Kontrolle optisch aktiver Halbleiter-QDs durch das mechanische Feld einer SAW mittels der Deformationspotentialkopplung. Die Stärke dieser Wechselwirkung kann, wie bei vielen hybriden Quantenbauelementen, durch einen Kopplungsparameter quantifiziert werden, in diesem Fall durch den optomechanischen Kopplungsparameter gOM, der die Modulation der Quantenpunkt-Emissionsenergie mit der Auslenkung der Oberfläche durch die SAW verknüpft. Ziel dieser Arbeit ist es, die optomechanische Kopplung zwischen den beiden Systemen zu erhöhen. Dazu werden die III-V Halbleiter-Quantenpunkte auf ein starkes piezoelektrisches Substrat, LiNbO3, übertragen. Nach einer kurzen Einführung zu akustischen Oberflächenwellen, Halbleiter-Quantenpunkten und deren Wechselwirkung wird die Fabrikationstechnik zur Herstellung der in dieser Arbeit analysierten Hybridbauelemente vorgestellt. Diese Technik, die als epitaktischer Lift-Off bezeichnet wird, wird verwendet, um eine QD-Membran von ihrem GaAs-Substrat zu lösen, um sie auf einen LiNbO3-SAW-Chip zu übertragen. Daraufhin wird die Kopplung der akustischen Oberflächenwellen zur QD-Membran zunächst durch Finite-Elemente-Simulationen untersucht. Dabei zeigt sich mit steigender SAW-Frequenz, aufgrund einer Lokalisierung des SAW-Feldes innerhalb der Membran, ein erhöhter optomechanischer Kopplungsparameter. Die Simulationsergebnisse werden durch die Herstellung und Untersuchung einer hybridisierten SAW-Probe bestätigt. Die Kopplung der Oberflächenwelle an die Membran wird quantifiziert, indem sowohl das über die hybridisierte Verzögerungsleitung übertragene SAW-Signal, als auch die optomechanische Reaktion der Quantenpunkte innerhalb der Epischicht gemessen werden. Um die Schall-Materie-Kopplung weiter zu erhöhen, wurde die Epischicht in einen SAW-Resonator transferiert. Für dieses System wurde sowohl die elektrische Reflexion des Resonators als auch die optomechanische Kopplung der Quantenpunkte an die Resonatormoden untersucht. Die QD-SAW-Kopplung zeigt dabei ein komplexeres Verhalten als erwartet und Simulationen mittels der Finite-Elemente-Methode zeigen, dass der Ursprung dieses Verhaltens nicht in der klassischen linearen Verformungspotentialkopplung liegt. Abschließend wird eine übertragene Epischicht weiter strukturiert um komplexere photonische Strukturen wie Ringresonatoren und deren Zugangswellenleiter herzustellen. Die Interaktion zwischen SAW, QDs und Resonatoren wurde dabei gemessen und im Detail analysiert. Dabei kann die SAW dazu benutz werden, um einen Quantenpunkt dynamisch in Resonanz mit der Ringresonatormode zu bringen. Neben den photonischen Resonanzen kann dabei auch das Auftreten von phononischen Moden innerhalb der Ringresonatoren beobachtet werden. Diese phononischen Resonanzen zeigen ein ausgeprägtes nichtlineares Verhalten, welches im Detail analysiert wird.…