Ядерные спиновые эффекты в полупроводниковых квантовых точках при оптическом возбуждении
Диссертация
Для успешного использования КТ в качестве д-бита необходимо большое время когерентности электрона. Увеличить время когерентности можно путем создания конфигурации ядерной системы с узким распределением спиновых состояний. Другим способом уменьшения флуктуаций ядерного спина является выстраивание моментов ядер в одном направлении. В этом случае требуется создание большой степени ядерной… Читать ещё >
Содержание
- 1. Литературный обзор
- 1. 1. Ядерная спиновая система в твердом теле
- 1. 1. 1. Физические взаимодействия в системе ядерных спинов
- 1. 1. 2. Электронно-ядерные взаимодействия
- 1. 1. 3. Динамическая ядерная поляризация
- 1. 1. 4. Релаксация ядерной поляризации
- 1. 2. Спиновые состояния электронов и дырок в квантовых точках
- 1. 2. 1. Полупроводниковые квантовые точки
- 1. 2. 2. Энергетический спектр состояний в квантовых точках с различным зарядом
- 1. 3. Эффекты сверхтонкого взаимодействия электронов и ядер в полупроводниковых квантовых точках
- 1. 3. 1. Оптическая накачка и детектирование ядерной поляризации в квантовых точках
- 1. 3. 2. Влияние сверхтонкого взаимодействия электронов и ядер на спиновую релаксацию электронов в квантовых точках
- 1. 1. Ядерная спиновая система в твердом теле
- 2. 1. Структуры с квантовыми точками 1пР/Са1пР
- 2. 2. Структуры с квантовыми точками СаАв/АЮаАб
- 2. 3. Спектроскопия фотолюминесценции
- 2. 4. Резонансная спектроскопия квантовых точек
- 3. 1. Характеризация экситонных состояний в квантовых точках 1пР/Са1пР
- 3. 2. Оптическая накачка ядерной спиновой поляризации в квантовых точках 1пР/Са1пР с различными зарядовыми состояниями
- 3. 3. Обратная связь в системе электронных и ядерных спинов в квантовых точках 1пР/Са1пР
- 3. 4. Выводы
- 4. 1. Общие свойства отклика ядерной спиновой поляризации на резонансное оптическое возбуждение экситонных переходов в квантовых точках 1пР/Са1пР
- 4. 2. Эффект Оверхаузера и оптический «солид-эффект» при резонансном возбуждении квантовых точкек 1пР/Са1пР
- 4. 3. Теоретическая модель
- 4. 4. Сравнение расчетов с экспериментом
- 4. 5. Насыщение степени поляризации ядерных спинов при резонансной накачке
- 4. 6. Выводы
- 5. 2. Методика измерения динамики ядерной спиновой поляризации в темноте (динамики затухания) в одиночных квантовых точках
- 5. 3. Динамика затухания ядерной спиновой поляризации в квантовых точках СаАэ/АЮаАв
- 5. 4. Динамика затухания ядерной спиновой поляризации в квантовых точках 1пР/Са1пР
- 5. 5. Подавление ядерной спиновой диффузии в полупроводниковых КТ (сравнение динамики затухания ядерной поляризации в различных материалах)
- 5. 6. Выводы
Список литературы
- S. Lloyd, «A Potentially Realizable Quantum Computer», Science 261, 1569 (1993).
- B. E. Kane, «A silicon-based nuclear spin quantum computer», Nature 393, 133 (1998).
- N. A. Gershenfeld and I. L. Chuang, «Bulk Spin-Resonance Quantum Computation», Science 275, 350 (1997).
- D. Loss and D. P. DiVincenzo, «Quantum computation with quantum dots», Phys. Rev. A 57, 120 (1998).
- J. I. Cirac and P. Zoller, «Quantum Computations with Cold Trapped Ions», Phys. Rev. Lett. 74, 4091 (1995).
- M. V. G. Dutt, L. Childress, L. Jiang, E. Togan, J. Maze, F. Jelezko, A. S. Zibrov, P. R. Hemmer, and M. D. Lukin, «Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in Diamond», Science 316, 1312 (2007).
- A. E. Dementyev, D. G. Cory, and C. Ramanathan, «Dynamic Nuclear Polarization in Silicon Microparticles», Phys. Rev. Lett. 100, 127 601 (2008).
- H. Hayashi, K. M. Itoh, and L. S. Vlasenko, «Nuclear magnetic resonance linewidth and spin diffusion in sup 29. Si isotopically controlled silicon», Phys. Rev. B 78, 153 201 (2008).
- D. K. Wilson and G. Feher, «Electron spin resonance experiments on donors in silicon. III. Investigation of excited states by the application of uniaxial stress and their importance in relaxation processes.», Phys. Rev. 124, 1068 (1961).
- G. W. Morley, J. van Tol, A. Ardavan, K. Porfyrakis, J. Zhang, and G. A. D. Briggs, «Efficient Dynamic Nuclear Polarization at High Magnetic Fields», Phys. Rev. Lett. 98, 220 501 (2007).
- L. Childress, M. V. Gurudev Dutt, J. M. Taylor, A. S. Zibrov, F. Jelezko, J. Wrachtrup, P. R. Hcmmer, and M. D. Lukin, «Coherent Dynamics of Coupled Electron and Nuclear Spin Qubits in Diamond», Science 314, 281 (2006).
- R. Hanson, V. V. Dobrovitski, A. E. Feiguin, O. Gywat, and D. D. Awschalom, «Coherent Dynamics of a Single Spin Interacting with an Adjustable Spin Bath», Science 320, 352 (2008).
- F. Jelezko, T. Gaebel, I. Popa, M. Domhan, A. Gruber, and J. Wrachtrup, «Observation of Coherent Oscillation of a Single Nuclear Spin and Realization of a Two-Qubit Conditional Quantum Gate», Phys. Rev. Lett. 93, 130 501 (2004).
- G. Burkard, D. Loss, and D. P. DiVincenzo, «Coupled quantum dots as quantum gates», Phys. Rev. B 59, 2070 (1999).
- L. Goldstein, F. Glas, J. Y. Marzin, M. N. Charasse, and G. L. Roux, «Growth by molecular beam epitaxy and characterization of InAs/GaAs strained-layer superlattices», Applied Physics Letters 47, 1099 (1985).
- D. Gammon, E. S. Snow, B. V. Shanabrook, D. S. Katzer, and D. Park, «Fine Structure Splitting in the Optical Spectra of Single GaAs Quantum Dots», Phys. Rev. Lett. 76, 3005 (1996).
- L. P. Kouwenhoven, A. T. Johnson, N. C. van der Vaart, C. J. P. M.
- Harmans, and C. T. Foxon, «Quantized current in a quantum-dot turnstile using oscillating tunnel barriers», Phys. Rev. Lett. 67, 1626 (1991).
- F. H. L. Koppens, C. Buizert, K. J. Tielrooij, I. T. Vink, K. C. Nowack, T. Meunier, L. P. Kouwenhoven, and L. M. K. Vandersypen, «Driven coherent oscillations of a single electron spin in a quantum dot», Nature 442, 766 (2006).
- J. R. Petta, A. C. Johnson, J. M. Taylor, E. A. Laird, A. Yacoby, M. D. Lukin, C. M. Marcus, M. P. Hanson, and A. C. Gossard, «Coherent Manipulation of Coupled Electron Spins in Semiconductor Quantum Dots», Science 309, 2180 (2005).
- I. A. Merkulov, A. L. Efros, and M. Rosen, «Electron spin relaxation by nuclei in semiconductor quantum dots», Phys. Rev. B 65, 205 309 (2002).
- A. V. Khaetskii, D. Loss, and L. Glazman, «Electron Spin Decoherence in Quantum Dots due to Interaction with Nuclei», Phys. Rev. Lett. 88, 186 802 (2002).
- D. J. Reilly, J. M. Taylor, J. R. Petta, C. M. Marcus, M. P. Hanson, and A. C. Gossard, «Suppressing Spin Qubit Dephasing by Nuclear State Preparation», Science 321, 817 (2008).
- H. Ribeiro and G. Burkard, «Nuclear State Preparation via Landau-Zener-Stiickelberg Transitions in Double Quantum Dots», Phys. Rev. Lett. 102, 216 802 (2009).
- D. Stepanenko, G. Burkard, G. Giedke, and A. Imamoglu, «Enhancement of Electron Spin Coherence by Optical Preparation of Nuclear Spins», Phys. Rev. Lett. 96, 136 401 (2006).
- D. Klauser, W. A. Coish, and D. Loss, «Nuclear spin state narrowing via gate-controlled Rabi oscillations in a double quantum dot», Phys. Rev. B 73, 205 302 (2006).
- A. Imamoglu, E. Knill, L. Tian, and P. Zoller, «Optical Pumping of Quantum-Dot Nuclear Spins», Phys. Rev. Lett. 91, 17 402 (2003).
- D. Gammon, A. L. Efros, T. A. Kennedy, M. Rosen, D. S. Katzer, D. Park, S. W. Brown, V. L. Korenev, and I. A. Merkulov, «Electron and Nuclear Spin Interactions in the Optical Spectra of Single GaAs Quantum Dots», Phys. Rev. Lett. 86, 5176 (2001).
- B. Urbaszek, P.-F. Braun, T. Amand, O. Krebs, T. Belhadj, A. Lemaitre, P. Voisin, and X. Marie, «Efficient dynamical nuclear polarization in quantum dots: Temperature dependence», Phys. Rev. B 76, 201 301 (2007).
- J. Skiba-Szymanska, E. A. Chekhovich, A. E. Nikolaenko, A. I. Tartakovskii, M. N. Makhonin, I. Drouzas, M. S. Skolnick, and A. B. Krysa, «Overhauser effect in individual InP/Ga^Ini-^P dots», Phys. Rev. B 77, 165 338 (2008).
- P. Maletinsky, M. Kroner, and A. Imamoglu, «Breakdown of the nuclear-spin-temperature approach in quantum-dot demagnetization experiments», Nature Phys. 5, 407 (2009).
- C. Deng and X. Hu, «Nuclear spin diffusion in quantum dots: Effects of inhomogeneous hyperfine interaction», Phys. Rev. B 72, 165 333 (2005).
- E. A. Chekhovich, М. N. Makhonin, К. V. Kavokin, А. В. Krysa, М. S. Skolnick, and A. I. Tartakovskii, «Pumping of nuclear spins by optical excitation of spin-forbidden transitions in a quantum dot», Phys. Rev. Lett. 104, принято в печать (2010).
- I. I. Rabi, J. R. Zacharias, S. Millman, and P. Kusch, «A New Method of Measuring Nuclear Magnetic Moment», Phys. Rev. 53, 318 (1938).
- E. M. Purcell, H. C. Torrey, and R. V. Pound, «Resonance Absorption by Nuclear Magnetic Moments in a Solid», Phys. Rev. 69, 37 (1946).
- F. Bloch, W. W. Hansen, and M. Packard, «The Nuclear Induction Experiment», Phys. Rev. 70, 474 (1946).
- Е. М. Purcell and N. F. Ramsey, «On the Possibility of Electric Dipole Moments for Elementary Particles and Nuclei», Phys. Rev. 78, 807 (1950).
- S. K. Lamoreaux and R. Golub, «Experimental searches for the neutron electric dipole moment», Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 36, 104 002 (37pp) (2009).
- Ч. Сликтер, Основы теории магнитного резонанса (Мир, Москва, 1981).
- W. D. Knight, «Nuclear Magnetic Resonance Shift in Metals», Phys. Rev. 76, 1259 (1949).
- X. Xu, W. Yao, B. Sun, D. G. Steel, A. S. Bracker, D. Gammon, and L. J. Sham, «Optically controlled locking of the nuclear field via coherent dark-state spectroscopy», Nature 459, 1105 (2009).
- C. Testelin, F. Bernardot, B. Eble, and M. Chamarro, «Hole-spin dephasing time associated with hyperfine interaction in quantum dots», Phys. Rev. В 79, 195 440 (2009).
- J. Fischer, W. A. Coish, D. V. Bulaev, and D. Loss, «Spin decoherence of a heavy hole coupled to nuclear spins in a quantum dot», Phys. Rev. В 78, 155 329 (2008).
- В. D. Gerardot, D. В runner, P. A. Dalgarno, P. Ohberg, S. Seidl, M. Kroner, K. Karrai, N. G. Stoltz, P. M. Petroff, and R. J. Warburton, «Optical pumping of a single hole spin in a quantum dot», Nature 451, 441 (2007).
- A. W. Overhauser, «Polarization of Nuclei in Metals», Phys. Rev. 92, 411 (1953).
- A. Abragam, «Overhauser Effect in Nonmetals», Phys. Rev. 98, 1729 (1955).
- A. Abragam and M. Goldman, «Principles of dynamic nuclear polarisation», Reports on Progress in Physics 41, 395 (1978).
- J. A. McNeil and W. G. Clark, «Nuclear quadrupolar spin-lattice relaxation in some III-V compounds», Phys. Rev. В 13, 4705 (1976).
- Г. P. Хуцишвили, «Спиновая диффузия», Успехи Физических Наук 87, 211 (1965).
- D. Paget, «Optical detection of NMR in high-purity GaAs: Direct study of the relaxation of nuclei close to shallow donors», Phys. Rev. В 25, 4444 (1982).
- J. Y. Marzin, J. M. Gerard, A. Izrael, D. Barrier, and G. Bastard, «Photoluminescence of Single InAs Quantum Dots Obtained by Self-Organized Growth on GaAs», Phys. Rev. Lett. 73, 716 (1994).
- B. Daudin, F. Widmann, G. Feuillet, Y. Samson, M. Arlery, and J. L. Rouviere, «Stranski-Krastanov growth mode during the molecular beam epitaxy of highly strained GaN», Phys. Rev. В 56, R7069 (1997).
- К. Brunner, U. Bockelmann, G. Abstreiter, M. Walther, G. Bohm, G. Trankle, and G. Weimann, «Photoluminescence from a single GaAs/AlGaAs quantum dot», Phys. Rev. Lett. 69, 3216 (1992).
- R. J. Warburton, C. Schaflein, D. Haft, F. Bickel, A. Lorke, K. Karrai, J. M. Garcia, W. Schoenfeld, and P. M. Petroff, «Optical emission from a charge-tunable quantum ring», Nature 405, 926 (2000).
- E. Ivchenko and G. Pikus, Superlattices and Other Heterostructures: Symmetry and Optical Phenomena (Springer-Verlag, New York, 1995).
- Г. Л. Вир, Г. E. Пикус, Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках (Наука, Москва, 1972).
- А. V. Koudinov, I. A. Akimov, Y. G. Kusrayev, and F. Henneberger, «Optical and magnetic anisotropics of the hole states in Stranski-Krastanov quantum dots», Phys. Rev. В 70, 241 305 (2004).
- D. Gammon, S. W. Brown, E. S. Snow, T. A. Kennedy, D. S. Katzer, and D. Park, «Nuclear Spectroscopy in Single Quantum Dots: Nanoscopic Raman Scattering and Nuclear Magnetic Resonance», Science 277, 85 (1997).
- A. S. Bracker, D. Gammon, and V. L. Korenev, «Fine structure and optical pumping of spins in individual semiconductor quantum dots», Semicond. Sei. Technol. 23, 114 004 (2008).
- Б. П. Захарченя, Ф. Майер, Оптическая ориентация (Наука, Ленинград, 1989).
- C. W. Lai, P. Maletinsky, A. Badolato, and A. Imamoglu, «Knight-Field-Enabled Nuclear Spin Polarization in Single Quantum Dots», Phys. Rev. Lett. 96, 167 403 (2006).
- M. Kroutvar, Y. Ducommun, D. Heiss, M. Bichler, D. Schuh, G. Abstreiter, and J. J. Finley, «Optically programmable electron spin memory using semiconductor quantum dots», Nature 432, 81 (2004).
- D. Heiss, S. Schaeck, H. Huebl, M. Bichler, G. Abstreiter, J. J. Finley, D. V. Bulaev, and D. Loss, «Observation of extremely slow hole spin relaxation in self-assembled quantum dots», Phys. Rev. B 76, 241 306 (2007).
- A. Greilich, A. Shabaev, D. R. Yakovlev, A. L. Efros, I. A. Yugova, D. Reuter, A. D. Wieck, and M. Bayer, «Nuclei-Induced Frequency Focusing of Electron Spin Coherence», Science 317, 1896 (2007).
- D. Hessman, J. Persson, M.-E. Pistol, C. Pryor, and L. Samuelson, «Electron accumulation in single InP quantum dots observed by photoluminescence», Phys. Rev. B 64, 233 308 (2001).
- G. J. Beirne, M. Reischle, R. Rosbach, W.-M. Schulz, M. Jetter, J. Seebeck, P. Gartner, C. Gies, F. Jahnke, and P. Michler, «Electronic shellstructure and carrier dynamics of high aspect ratio InP single quantum dots», Phys. Rev. B 75, 195 302 (2007).
- M. Sopanen, H. Lipsanen, and J. Ahopelto, «Self-organized InP islands on (100) GaAs by metalorganic vapor phase epitaxy», Applied Physics Letters 67, 3768 (1995).
- V. D. Kulakovskii, G. Bacher, R. Weigand, T. Kiimmell, A. Forchel, E. Borovitskaya, K. Leonardi, and D. Hommel, «Fine Structure of Biexciton Emission in Symmetric and Asymmetric CdSe/ZnSe Single Quantum Dots», Phys. Rev. Lett. 82, 1780 (1999).
- L. Besombes, Y. Leger, L. Maingault, D. Ferrand, H. Mariette, and J. Cibert, «Probing the Spin State of a Single Magnetic Ion in an Individual Quantum Dot», Phys. Rev. Lett. 93, 207 403 (2004).
- P. S. Dorozhkin, A. S. Brichkin, V. D. Kulakovskii, A. V. Chernenko, S. V. Zaitsev, S. V. Ivanov, and A. A. Toropov, «Electron-hole complexes in individual semimagnetic quantum dots», physica status solidi (a) 202, 2609 (2005).
- Y. Masumoto, K. Toshiyuki, T. Suzuki, and M. Ikezawa, «Resonant spin orientation at the exciton level anticrossing in InP quantum dots», Phys. Rev. B 77, 115 331 (2008).
- S. Cortez, O. Krebs, S. Laurent, M. Senes, X. Marie, P. Voisin, R. Ferreira, G. Bastard, J.-M. Gerard, and T. Amand, «Optically Driven Spin Memory in n-Doped InAs-GaAs Quantum Dots», Phys. Rev. Lett. 89, 207 401 (2002).
- Y. Masumoto, S. Oguchi, B. Pal, and M. Ikezawa, «Spin dephasing of doped electrons in charge-tunable InP quantum dots: Hanle-effect measurements», Phys. Rev. В 74, 205 332 (2006).
- В. Gotschy, G. Denninger, H. Obloh, W. Wilkening, and J. Schnieder, «Overhauser shift and dynamic nuclear polarization in InP», Solid State Comunications 71, 629 (1989).
- P. Maletinsky, C. W. Lai, A. Badolato, and A. Imamoglu, «Nonlinear dynamics of quantum dot nuclear spins», Phys. Rev. В 75, 35 409 (2007).
- В. JI. Коренев, «Динамическая Самополяризация Ядер в Низкоразмерных Системах», Письма в ЖЭТФ 70, 124 (1999).
- A. Russell, V. I. Fal’ko, A. I. Tartakovskii, and М. S. Skolnick, «Bistability of optically induced nuclear spin orientation in quantum dots», Phys. Rev. В 76, 195 310 (2007).
- E. Aubay and D. Gourier, «Magnetic bistability and Overhauser shift of conduction electrons in gallium oxide», Phys. Rev. В 47, 15 023 (1993).
- L. Binet and D. Gourier, «Bistable magnetic resonance of conduction electrons in InP», Phys. Rev. В 56, 2688 (1997).
- V. L. Korenev, «Nuclear Spin Nanomagnet in an Optically Excited Quantum Dot», Phys. Rev. Lett. 99, 256 405 (2007).
- M. Atature, J. Dreiser, A. Badolato, A. Hogele, K. Karrai, and A. Imamoglu, «Quantum-Dot Spin-State Preparation with Near-Unity Fidelity», Science 312, 551 (2006).
- M. Atature, J. Dreiser, A. Badolato, and A. Imamoglu, «Observation of Faraday rotation from a single confined spin», Nature Physics 3, 1 012 007).
- J. Seufert, R. Weigand, G. Bacher, T. Kummell, A. Forchel, K. Leonardi, and D. Hommel, «Spectral diffusion of the exciton transition in a single self-organized quantum dot», Applied Physics Letters 76, 1872 (2000).
- J. Dreiser, M. Atature, C. Galland, T. Muller, A. Badolato, and A. Imamoglu, «Optical investigations of quantum dot spin dynamics as a function of external electric and magnetic fields», Phys. Rev. В 77, 753 172 008).
- JI. Мандель, Э. Вольф, Оптическая когерентность и квантовая оптика (Физматлит, Москва, 2000).
- D. Paget, Т. Amand, and J.-P. Korb, «Light-induced nuclear quadrupolar relaxation in semiconductors», Phys. Rev. В 77, 245 201 (2008).
- L. M. Woods, T. L. Reinecke, and R. Kotlyar, «Hole spin relaxation in quantum dots», Phys. Rev. В 69, 125 330 (2004).
- Т. Belhadj, Т. Kuroda, C.-M. Simon, T. Amand, Т. Mano, K. Sakoda, N. Koguchi, X. Marie, and B. Urbaszek, «Optically monitored nuclear spin dynamics in individual GaAs quantum dots grown by droplet epitaxy», Phys. Rev. В 78, 205 325 (2008).
- I. Toft and R. T. Phillips, «Hole g factors in GaAs quantum dots from the angular dependence of the spin fine structure», Phys. Rev. В 76, 33 301 (2007).
- R. I. Dzhioev and V. L. Korenev, «Stabilization of the Electron-Nuclear Spin Orientation in Quantum Dots by the Nuclear Quadrupole Interaction», Phys. Rev. Lett. 99, 37 401 (2007).
- S. E. Barrett, R. Tycko, L. N. Pfeiffer, and K. W. West, «Directly detected nuclear magnetic resonance of optically pumped GaAs quantum wells», Phys. Rev. Lett. 72, 1368 (1994).
- Y. Kondo, M. Ono, S. Matsuzaka, K. Morita, H. Sanada, Y. Ohno, and H. Ohno, «Multipulse Operation and Optical Detection of Nuclear Spin Coherence in a GaAs/AlGaAs Quantum Well», Phys. Rev. Lett. 101, 207 601 (2008).
- B. Clerjaud, F. Gendron, H. Obloh, J. Schneider, and W. Wilkening, «Effect of nuclear polarization on the conduction-electron spin resonance in InP», Phys. Rev. B 40, 2042 (1989).
- C. A. Michal and R. Tycko, «Nuclear Spin Polarization Transfer with a Single Radio-Frequency Field in Optically Pumped Indium Phosphide», Phys. Rev. Lett. 81, 3988 (1998).
- P. Maletinsky, A. Badolato, and A. Imamoglu, «Dynamics of Quantum Dot Nuclear Spin Polarization Controlled by a Single Electron», Phys. Rev. Lett. 99, 56 804 (2007).
- S. Adachi, «GaAs, AlAs, and Al^Gai-^As: Material parameters for use in research and device applications», Journal of Applied Physics 58, R1 (1985).
- A. Onton, M. R. Lorenz, and W. Reuter, «Electronic Structure and Luminescence Processes in Ini-^Ga^P Alloys», Journal of Applied Physics 42, 3420 (1971).
- A. Hartmann, Y. Ducommun, E. Kapon, U. Hohenester, and E. Molinari, «Few-Particle Effects in Semiconductor Quantum Dots: Observation of Multicharged Excitons», Phys. Rev. Lett. 84, 5648 (2000).