DE102012007793A1

DE102012007793A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer kontrollierbaren Einzelphoton-Emission

Info

Publication number: DE102012007793A1
Application number: DE201210007793
Authority: DE
Inventors: Simon Gordon; Yves Alexander Leier; Dirk Mantei; Stefan Schumacher; Artur Zrenner
Original assignee: Universitaet Paderborn
Current assignee: Universitaet Paderborn
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-04-21
Also published as: DE102012007793B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Einzelphoton-Emission, bei dem in einem zu einem Biexziton-Zustand anregbaren System, insbesondere in einem Halbleiter-Quantenpunkt, ein Biexziton-Zustand (/2X>) angeregt wird und durch Bestrahlung des Systems mit Laserlicht (2) ein virtueller Zustand (3) des Systems erzeugt wird, aus dem heraus das System durch spontane Einzelphoton-Emission (4) in seinen Grundzustand (/0>) übergeht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Einzelphoton, umfassend einen Halbleiterquantenpunkt auf oder in einem Trägersubstrat, das in zwei Laserfeldern angeordnet ist, wobei eines der Laserfelder (1) zum Zweck der Erzeugung eines Biexzitons (/2X>) durch resonante 2-Photonenabsorption abgestimmt ist und das andere (2) zur Erzeugung eines virtuellen Zustandes (3) ab

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Einzelphoton-Emission, insbesondere einer kontrollierbaren Einzelphoton-Emission.
Bisherige Verfahren im Stand der Technik zur Erzeugung einzelner Photonen sehen vor, eine Einzelphoton-Emission stattfinden zu lassen aus dem Ein-Exzitonen-Zustand eines Quantenpunkts oder sonstigen Systems, das zu einem solchen Zustand angeregt werden kann.
Dabei wird als Exziton bzw. Ein-Exziton ein gebundener Zustand eines Elektrons und eines Lochs in einem Festkörper, insbesondere Isolator oder Halbleiter verstanden. Ein solcher Zustand kann nur durch Emission eines einzelnen Photons zerfallen. Besonders leicht lassen sich solchen Exziton-Zustände in Halbleiterquantenpunkten erzeugen, wenngleich die Erzeugung grundsätzlich nicht auf solche Systeme beschränkt ist.
Halbleiterquantenpunkte sind Ansammlungen von Atomen, die eine nanoskopische Materialstruktur aus einem Halbleitermaterial ausbilden. Aufgrund der atomaren Größenordnung von etwa 10⁴ Atomen sind solche Strukturen nur wenige Nanometer groß, wodurch sich in allen drei Raumrichtungen eine starke Einschränkung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Ladungsträger in einem solchen System ergibt. Die energetischen Zustände eines solchen Systems sind daher nicht mehr kontinuierlich, wie bei einem üblichen Festkörper, sondern können nur noch diskrete Werte annehmen, so dass sich solche Quantenpunkte grundsätzlich atomähnlich verhalten.
Durch Form und Größe, sowie die Anzahl der Elektronen und/oder Löcher lassen sich die elektronischen und optischen Eigenschaften solcher Quantenpunkte gezielt und anwendungsspezifisch gestalten.
Bei der Erzeugung einzelner Photonen gemäß dem vorgenannten Verfahren wird es als problematisch angesehen, dass sich die Emissionswellenlänge des emittierten Photons aus der Energiedifferenz des Exzitons zum Grundzustand des betrachteten Systems ergibt und somit nur schwer und auf langsamer Zeitskala einstellbar ist. Dies gilt ebenso für die Steuerung der Polarisation des Photons, die im Wesentlichen durch Details der Feinstrukturaufspaltung gegeben ist. Aufgrund der spontanen Emission ist auch das Auftreten des Einzelphotons nicht deterministisch bestimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit dem die Möglichkeit besteht, deterministisch bestimmt jeweils einzelne Photonen mit einer gewünschten Wellenlänge und Polarisation zu erzeugen, bevorzugt auch mit einem deterministisch zumindest weitestgehend vorbestimmten Emissionszeitpunkt und weiter bevorzugt mit einer einstellbaren zeitlichen Wellenform.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem zu einem Biexziton-Zustand anregbaren System ein Biexziton-Zustand angeregt wird und durch Bestrahlung des Systems mit Laserlicht ein virtueller Zustand des Systems erzeugt wird, aus dem heraus das System durch spontane Einzelphoton-Emission in seinen Grundzustand übergeht.
Ein solches geeignetes System kann beispielsweise durch einen Halbleiter-Quantenpunkt gegeben sein, mit den eingangs genannten Eigenschaften. Das Verfahren ist jedoch grundsätzlich einsetzbar mit allen System, die sich zu einem solchen Zustand anregen lassen.
Ein Biexziton-Zustand ist dabei ein Zustand von zwei Elektronen und Löchern der entweder für sich oder innerhalb des Einschlußpotentials eines Quantenpunkts gebunden ist, entsprechend somit im Wesentlichen zwei Exzitonen.
Insbesondere wird unter einem virtuellen Zustand ein solcher verstanden, der als stationärer quantenmechanischer Zustand in dem betrachteten System nicht vorkommt, jedoch in den Grenzen der Unschärferelation ansonsten nicht erlaubte Übergänge vermittelt.
Der wesentliche Kerngedanke der Erfindung beruht darauf, dass sowohl der Biexziton-Zustand als auch der Grundzustand eines solchen Systems Spin Null haben und daher ein solcher Biexziton-Zustand nicht durch Emission von einzelnen Photonen relaxieren kann, die der Energie des Biexzitons entsprechen. Vielmehr kann ein Zerfall eines solchen Biexzitons nur durch zwei gleichzeitig emittierte Photonen in den Grundzustand oder durch ein Photon in einen Ein-Exziton Zwischenzustand erfolgen.
Es besteht daher die Möglichkeit durch Einflußnahme auf den Zerfallskanal gezielt ein Photon durch spontane Emission entstehen zu lassen, das insbesondere gewünschte bzw. deterministisch einstellbare Eigenschaften hinsichtlich Polarisation und Wellenlänge (Energie) hat.
Erfindungsgemäß ist eine solche Einflußnahme dadurch vorgenommen, dass durch Bestrahlung des Systems mit Laserlicht ein virtueller Zustand des Systems erzeugt wird, von dem die Emission eines Photons in den Grundzustand möglich wird. Hierfür wird in vorteilhafter Weise der Übergang zwischen dem Biexziton und dem virtuellen Zustand durch geeignet gewählte Laserintensität gesättigt.
Durch die Einstrahlung/Beleuchtung des Systems mit Laserlicht wird somit der eingangs genannte Zerfallskanal des Biexzitons vorbestimmt, so dass sich aus dieser Vorbestimmung deterministisch die Eigenschaften des weiteren im Zerfallskanal vorgesehenen einzelnen Photons ergeben.
So ist die Energie und damit die Wellenlänge des spontan emittierten Einzelphotons gegeben durch die Energie des Biexzitons abzüglich der Energie des Laserlichtes mit dem der virtuelle Zustand erzeugt wird. Es kann also durch Auswahl der Wellenlänge des Laserlichts zur Erzeugung des virtuellen Zustandes die Wellenlänge des erzeugten Einzelphotons eingestellt werden.
Weiterhin ist die Polarisation des emittierten Photons komplementär zu der Polarisation des Laserfeldes das zur Erzeugung des virtuellen Zustandes eingesetzt wird, da die beteiligten End-Niveaus (Biexziton und Grundzustand) jeweils Spin NULL haben. Somit kann durch Auswahl der Polarisation des Laserlichts zur Erzeugung des virtuellen Zustandes die Polarisation des erzeugten Einzelphotons eingestellt werden.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein zur Erzeugung des virtuellen Zustandes kontinuierliches Laserlicht zu verwenden. In einem solchen Fall ist der Emissionszeitpunkt des spontan emittierten Photons jedoch unbestimmt.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann es vorgesehen sein, gepulstes Laserlicht einzusetzen. Bei dieser Ausführung mit gepulstem Laserlicht zur Erzeugung des virtuellen Zustandes kann der Emissionszeitpunkt des erzeugten Einzelphotons zumindest in den Grenzen festgelegt werden, die durch den spontanen Zerfall gegeben sind. Durch Formung und Gestaltung der Pulsform des gepulsten Laserlichts ergibt sich ferner die Möglichkeit, die Pulsform des Laserlichts auf die Wellenform des Einzelphotons zu übertragen bzw. diese zu steuern.
Wesentlich für die Erfindung ist die definierte Energie des Biexziton-Zustandes und des bestrahlenden Laserfeldes zur Erzeugung des virtuellen Zustandes, woraus sich die Energie des spontan emittierten Einzelphotons ergibt. Dabei spielt es für die Erfindung grundsätzlich keine Rolle, auf welche Art und Weise der Biexziton-Zustand des betrachteten Systems angeregt wird, bzw. das Biexziton erzeugt wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann der Biexziton-Zustand angeregt werden durch resonante 2-Photon-Absorbtion aus einem Laserfeld, bei dem die Energie der eingestrahlten Photonen abgestimmt ist auf die halbe Energiedifferenz zwischen Biexziton-Zustand und Grundzustand des Systems.
Ebenso besteht die Möglichkeit, den Biexziton-Zustand anzuregen durch resonante 1-Photon-Anregung eines Ein-Exziton-Zustands des Systems und weitere 1-Photon-Anregung des Systems von diesem Ein-Exziton-Zustand in den 2-Exziton-Zustand.
Eine weitere Alternative kann vorsehen, dass das System in den Biexziton-Zustand relaxiert nach einer Anregung des Systems über den Biexziton-Zustand hinaus, insbesondere durch eine nicht-resonante Anregung überhalb der Bandlückenenergie des verwendeten Halbleitermaterials.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass das System, insbesondere der Quantenpunkt in einem optischen Resonator angeordnet wird, dessen wenigstens eine Mode abgestimmt ist auf eine gewünschte Emissionswellenlänge des zu erzeugenden Einzel-Photons. Durch diese Maßnahme kann die Wahrscheinlichkeit für die spontane Emission des Einzelphotons gesteigert werden, insbesondere durch Erhöhen der virtuellen Photonendichte im spektralen Bereich der Resonatormode.
Wenn der Resonator mehrere diskrete Moden aufweist, so kann der Laserstrahl bzw. das Laserfeld zur Erzeugung des virtuellen Zustandes zumindest in diskreten Schritten abgestimmt werden, um so in ebensovielen diskreten Schritten die Emissionswellenlänge des spontanen Einzelphotons zu wählen.
Durch aktive Abstimmung des Resonators, insbesondere eines Mikroresonators mit einer optischen Weglänge im Bereich der Wellenlänge kann die Emissionswahrscheinlichkeit gezielt erhöht werden auf der Wellenlänge, auf der das spontan emittierte Photon erwartet wird in Abhängigkeit der gewählten Eingangsparameter. In Abhängigkeit der Abstimmung des Resonators kann das Laserfeld zur Erzeugung des virtuellen Niveaus geändert werden.
In einer Ausführung kann es vorgesehen sein, dass der Resonator und das Laserfeld zur Erzeugung des virtuellen Zustandes gleichzeitig, insbesondere synchron abgestimmt werden, um die Wellenlänge des Einzelphotons zu ändern.
Es kann auch vorgesehen sein, die Bandbreite des optischen Resonators und die Bandbreite des gepulsten Laserlichtes zur Erzeugung des virtuellen Zustandes aneinander anzupassen zur Gestaltung des zeitlichen Verhaltens und der Effizienz der Einzelphotonemission.
Als besonders vorteilhaft in Hinblick auf die Unabhängigkeit der Resonatormode von der Polarisation werden hierbei symmetrische Resonatoren, insbesondere Mikroresonatoren erachtet, insbesondere die integrierte Bragg-Spiegel aufweisen können und bevorzugt hinsichtlich der Resonatormoden mikromechanisch abstimmbar ausgestaltet sein können.
Es erschließen sich mit der Erfindung allgemein jegliche Anwendungen unter Einsatz einzelner Photonen, z. B. auf dem Gebiet der Quantenkommunikation/Quantenkryptografie.
Ausgeführt werden kann das Verfahren z. B. mit einer Vorrichtung, die einen Halbleiterquantenpunkt auf oder in einem Trägersubstrat umfasst. Dieses Substrat, bzw. zumindest der Quantenpunkt kann in zwei Laserfeldern angeordnet sein, eines zum Zweck der Erzeugung eines Biexzitons durch resonante 2-Photonenabsorption, und eines zur Erzeugung eines virtuellen Zustandes. In einer Weiterbildung kann zumindest der Quantenpunkt oder das Substrat innerhalb eines optischen Resonators angeordnet sein, insbesondere eines solchen, dessen optische Weglänge abstimmbar ist im Bereich weniger Nanometer oder Mikrometer, um die Resonatormode abzustimmen auf die Wellenlänge des zu erzeugenden spontanen Einzelphotons. Der Resonator kann auch durch das Substrat selbst gebildet werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der 1 näher beschrieben.
Die 1 symbolisiert ein geeignetes System, z. B. einen Halbleiterquantenpunkt mit einem Grundzustand /0> und einem Biexziton-Zustand /2x>. Beide Zustände haben Spin NULL. Daher kann der Biexziton Zustand /2x> z. B. durch 2-Photonenanregung resonanter Art besetzt werden. Dies erfolgt hier durch zwei Photonen 1 aus einem entsprechend abgestimmten Laserfeld. Der ebenfalls existente Exziton-Zustand /X> ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dieser Ausführung nicht involviert.
Durch optisches Pumpen in Sättigung mit Photonen 2 aus einem Laserfeld wird ein virtuelles Niveau 3 erzeugt, das als Ausgangszustand für die gewünschte Einzelphotonemission dient. Die so verbleibene Energie, d. h. die Differenz zwischen virtuellen Zustand, bzw. dem Photon 2' und dem Grundzustand /0> wird durch spontane Emission eines Einzelphotons 4 frei.
Diese Ausführung der Erfindung zeigt, dass die Möglichkeit besteht, einzelne Photonen zu erzeugen, deren Wellenlänge bzw. Energie und deren Polarisation deterministisch vorbestimmt werden können.

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Einzelphoton-Emission, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zu einem Biexziton-Zustand anregbaren System, insbesondere in einem Halbleiter-Quantenpunkt, ein Biexziton-Zustand (/2X>) angeregt wird und durch Bestrahlung des Systems mit Laserlicht (2) ein virtueller Zustand (3) des Systems erzeugt wird, aus dem heraus das System durch spontane Einzelphoton-Emission (4) in seinen Grundzustand (/0>) übergeht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Biexziton-Zustand (/2X>) angeregt wird durch a. resonante 2-Photon-Absorbtion (1) aus einem Laserfeld oder b. resonante 1-Photon-Anregung des Ein-Exziton-Zustands (/X>) des Systems und weitere 1-Photon-Anregung des Systems von diesem Ein-Exziton-Zustand (/X>) in den 2-Exziton-Zustand (/2X>) oder c. Relaxation des Systems in den 2-Exziton-Zustand (/2X>) nach einer Anregung des Systems über den 2-Exziton-Zustand (/2X>) hinaus, insbesondere durch eine nicht-resonante Anregung von Elektronen aus dem Leitungsband.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl der Polarisation des Laserlichts (2) zur Erzeugung des virtuellen Zustandes (3) die Polarisation des erzeugten Einzelphotons (4) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl der Wellenlänge des Laserlichts (2) zur Erzeugung des virtuellen Zustandes (3) die Wellenlänge des erzeugten Einzelphotons (4) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit gepulstem Laserlicht (2) zur Erzeugung des virtuellen Zustandes (3) der Emissionszeitpunkt des erzeugten Einzelphotons (4) festgelegt wird, insbesondere innerhalb der Grenzen der Zeit-Energie Unschärfe,.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl des zeitlichen Verlaufs des Laserpulses (2) zur Erzeugung des virtuellen Zustands (3) der zeitliche Verlauf der Wellenform des erzeugten Einzelphotons (4) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System, insbesondere der Quantenpunkt in einem optischen Resonator angeordnet wird, dessen wenigstens eine Mode abgestimmt ist auf eine gewünschte Emissionswellenlänge des zu erzeugenden Einzel-Photons (4).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator und das Laserfeld zur Erzeugung des virtuellen Zustandes (3) gleichzeitig, insbesondere synchron abgestimmt werden, um die Wellenlänge des Einzelphotons (4) zu ändern.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite des optischen Resonators und die Bandbreite des gepulsten Laserlichtes (2) zur Erzeugung des virtuellen Zustandes (3) aneinander angepasst werden zur Gestaltung des zeitlichen Verhaltens der Einzelphotonemission und/oder deren Kontrolle, insbesondere gemäß Anspruch 6.
Vorrichtung zur Erzeugung eines Einzelphoton, umfassend einen Halbleiterquantenpunkt auf oder in einem Trägersubstrat, das in zwei Laserfeldern angeordnet ist, wobei eines der Laserfelder (1) zum Zweck der Erzeugung eines Biexzitons (/2X>) durch resonante 2-Photonenabsorption abgestimmt ist und das andere (2) zur Erzeugung eines virtuellen Zustandes (3) abgestimmt ist, aus dem heraus das Einzelphoton (4) spontan emittierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenpunkt innerhalb eines optischen Resonators angeordnet ist oder einen Resonator umfasst, insbesondere einen solchen, dessen optischer Resonanzmode abstimmbar ist.