Epitaktische GaAs Quantenpunkte: Physik & Quantenbauelemente

Halbleiterquantenpunkte (QP) sind Nanostrukturen, welche in der Lage sind, die Bewegung von Elektronen in allen Raumrichtungen einzuschränken. Sie werden daher auch als künstliche Atome bezeichnet. QP können im zukunftsweisenden Bereich der Quantenkommunikation und information Anwendung finden, wobei die Gesetze der Quantenmechanik zur Beschleunigung bestimmter Berechnungsprozesse oder zur absolut sicheren Datenübertragung dienen. Ein Vorteil gegenüber natürlichen Atomen ist, dass QP einfach in Quanten-Bauelemente integriert werden können, wie z.B. in Leuchtdioden, welche seriell gefertigt werden können. Verschiedene Materialkombinationen können für die Herstellung von QP benutzt werden. Die meisten Studien haben sich bisher auf QP bestehend aus Indium-Gallium-Arsenid (kurz InGaAs) fokussiert. Gründe dafür sind eine wohl etablierte Herstellungsmethode und die gute optische Qualität solcher Nanostrukturen. Für einige Anwendungen, wie die Erzeugung verschränkten Photonen, zeigen InGaAs QP allerdings eine noch begrenzte Qualität. Außerdem fehlen noch zuverlässige Quelle verschränkter Photonen, welche geeignet für die Transmission in herkömmlichen Glasfasern sind. Ziel des vorliegenden Projekts ist, neue QP bestehend aus Gallium-Arsenid (kurz GaAs) herzustellen und im Detail zu untersuchen. Inbesondere möchten wir ein neues Konzept für die Erzeugung verschränkter Photonen für Glasfaser testen. Das Konzept nutzt ein exotisches Zustand in einem QP: ein sogenanntes dunkles-leichtloch-Exziton. Dieser Zustand, der in herkömmlichen InGaAs QP nich zugänglich ist, kann in GaAs erzeugt und benutzt werden. Wie der Name sagt, ist dieses Exziton dunkel, d.h. es emittiert normalerweise kein Licht. Wir werden daher die QP in einem optischen Resonator einbetten, um zwei Photonen aus einem dunklen Zustand zu gewinnen. Dieses Projekt wird neue Erkentnisse über die physikalische Eigenschaften von GaAs QP liefern, die eine Anwendung in neueartigen Bauelementen für die Quantentechnologie finden können.

Halbleiterquantenpunkte (QP) sind Nanostrukturen, welche in der Lage sind, die Bewegung von Elektronen in allen Raumrichtungen einzuschränken. Sie werden daher auch als "künstliche Atome" bezeichnet. QP können im zukunftsweisenden Bereich der Quantenkommunikation und -information Anwendung finden, wobei die Gesetze der Quantenmechanik zur Beschleunigung bestimmter Berechnungsprozesse oder zur absolut sicheren Datenübertragung dienen. Ein Vorteil gegenüber natürlichen Atomen ist, dass QP einfach in Quanten-Bauelemente integriert werden können, wie z.B. in Leuchtdioden, welche seriell gefertigt werden können. Verschiedene Materialkombinationen können für die Herstellung von QP benutzt werden. Die meisten Studien haben sich bisher auf QP bestehend aus Indium-Gallium-Arsenid (kurz InGaAs) fokussiert. Gründe dafür sind eine wohl etablierte Herstellungsmethode und die gute optische Qualität solcher Nanostrukturen. Ihre Leistung für einige Anwendungen, wie die Erzeugung verschränkter Photonen, ist jedoch immer noch begrenzt. In diesem Projekt haben wir einen relativ neuen Typ von QP hergestellt und untersucht, die aus GaAs-Material bestehen, das in Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) eingebettet ist. Wie im ursprünglichen Antrag vorhergesehen, haben wir gezeigt, dass diese QP herkömmliche InGaAs QP als Quellen polarisationsverschränkter Photonen übertreffen. Um das Potenzial von GaAs-QP in Quantentechnologien aufzuzeigen, haben wir diese Lichtquellen auf Halbleiterbasis kürzlich als Bausteine für eine Quantenkryptografielinie auf dem Campus der Universität Linz verwendet.