Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr...

40
Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki Lecture 12: Single photon correlations and cavity mode emission

Transcript of Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr...

Page 1: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Quantum Dots in Photonic Structures

Wednesdays, 17.00, SDT

Jan Suffczyński

Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

Lecture 12: Single photon correlations and cavity mode emission

Page 2: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Plan for today

1. Reminder 2.

Photon emissionstatistics

3. Origin of the emission with the cavity mode

Page 3: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Strong coupling –Rabi splitting

Ener

gy

Eigenstates :Entengled states emitter-photon

RabbiSplitting DR

(|0,1> + |1,0>)/ 2

(|0,1> |1,0>)/ 2

|0,1> ↔

In resonance:

Oscillationswith Rabi frequency = R / h

|1,0>

|0,1> :

|1,0> :

Emitter in ground state

Excitedemitter

Empty cavity

Photon inside cavity

Out of the resonence:

Page 4: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Weak vs strong coupling

Out of the cavity

Page 5: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Strong coupling regime

• At resonance QD- Cavity mode: anticrossing of the levels!

QD– Cavity mode detuning

Energy levels versus detuning:

4)( 22MQDRabi g Rabi splitting:

4)( 22MQDRabi g

Page 6: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Reithmaier et al., Nature (2004)

Weak coupling vs strong coupling

Equal intensity at resonance/X intensity increased at resonance

Anticrossing/no anticrossing

Exchange of linewidths/no lw exchange

Page 7: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

CorrelationCorrelation (lat. correlation-, correlatio, from com-, „together, jointly”; and relation-, relatio, „link, relation”

Correlations macro in the world:

Page 8: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Correlations

Page 9: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Correlations

Page 10: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Correlations

Page 11: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Korelacje

A statistical effect!

Page 12: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Correlation function

)()(

)()()()2(

tItI

tItIg

ba

baab

represents probability of detection of the second photon at time t + , given

that the first one was detected at time t

)()2( abg

Page 13: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Od źródła fotonów

Dioda „START”

Dioda „STOP”

n( = tSTOP- tSTART)

Idea pomiaru korelacji między pojedynczymi fotonami

)()( )2( abgn

Page 14: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

-60 -40 -20 0 20 40 600

1

2

3

4

5

6

Lic

zba

zdar

zen

= t2 - t

1

= t2 – t1

t1 = 0t2 = 20

wejścieSTART

wejścieSTOP

Karta do pomiaru korelacji

Dioda „START”

Dioda „STOP”

Licz

ba s

kore

low

anyc

h zl

icze

ń n(

)

Od źródła fotonów

Page 15: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

-60 -40 -20 0 20 40 600

1

2

3

4

5

6

Lic

zba

zdar

zen

= t2 - t

1

= t2 – t1

t1 = 0, t2 = 0

wejścieSTART

wejścieSTOP

Karta do pomiaru korelacji

Od źródła fotonów

Skor

elow

anyc

h zl

icze

ń n(

)

Dioda „STOP”

Dioda „START”

Page 16: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Correlation function )()2( g

T

time t

0)0()2( g

-40 -20 0 20 400

1

2

g()

= t2 – t1

T

0

Single photon source (pulsed):

0)0()2( g

-40 -20 0 20 400

1

2

g()

0

Single photon source (cw):

time t

-40 -20 0 20 400

1

2

g() 1)()2( g

0

Coherent light source (cw):

time t

1)0()2( g

-40 -20 0 20 400

1

2

g()

0

Thermal light source:

time t

Page 17: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Photon statistics

Bose-Einstein distribution

Poissonian distributionLASER

0 1 2 3 4 5 60.0

0.1

0.2

0.3

P(n

)

n

0 1 2 3 4 5 60.0

0.1

0.2

0.3

0.4

P(n

)

n

Sub-poissonian distribution

0 1 2 3 4 5 60.00

0.25

0.50

0.75

1.00

P(n

)

n0 1 2 3 4 5 6

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

P(n

)

n

Page 18: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Single photon sources

– single atoms

– single molecules

– single nanocrystals

– NV in diamond

h

Page 19: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

• highly efficient

• work with high repetition rates

• excited optically / electrically

• easy to integrate with electronics

• + more …

− single semiconductor quantum dots

(Koenraad et al.)

Page 20: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Pojedyncze fotony z QD na żądanie

2210 2215 2220 2225

XX

CX

-P

L I

nte

ns

ity

[a

rb.

un

its

]

Photon Energy [meV]

X

-60 -40 -20 0 20 40 600

250

500

750

Zlic

zen

ia

= tSTOP

- tSTART

(ns)

Autokorelacja emisji z ekscytonu neutralnego (X-X):

START

X

czas

Od próbki

• Rejestrowane fotony pochodzą z pojedynczej kropki

• g( 2)(0) = 0.073 = 1/13.6

X

X

STOP

START

STOP

X

Page 21: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

-60 -40 -20 0 20 40 600

100

200

300

400

500

Co

un

ts

= tX-t

CX [ns]

X-CX cross-corelation

Page 22: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

-60 -40 -20 0 20 40 600

100

200

300

400

500

Co

un

ts

= tX-t

CX [ns]

Three carriers capture

Single carrier capture

STOP

Single carrier capture

<0 ↔ CX emissionafter X emission:

STOPX

START

time

XCX

START

time

CX

>0 ↔ X emission after CX emission:

X after CXCX after X

Page 23: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

XX-X crosscorrelationSTOP (H)START (H)

-40 -20 0 20 400

200

400

600

800

1000

H / H

Cou

nts

= tX- t

XX [ns]

5.24

2210 2215 2225

X

CXXX

H V

-PL

Int

ensi

ty [

arb.

uni

ts]

Photon Energy [meV]

START STOP

XX X

time0

• XX-X cascade

Page 24: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Origin of the emission within the caviy mode

Energy

PL ~15 meV

Cavity mode

QD

~1 meV

Page 25: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Why is emission at the mode wavelength observed?

Strong coupling in a single quantumdot–semiconductor microcavity system, Reithmaier et al., Nature (2004)

Strong emission at the mode wavelength even for large QD-mode detunings

Quantum nature of a strongly coupled single quantumdot–cavity system, Hennessy et al., Nature (2007):

Time (ns)

Autocorrelation M - MCrosscorrelation QD - M

Time (ns)

„Off-resonant cavity–exciton anticorrelation demonstrates the existence of a new, unidentified mechanism for channelling QD excitations into a non-resonant cavity mode.”

„… the cavity is accepting multiple photons at the same time - a surprising result given the observed g(2)(0)≈ 0 in cross-correlation with the exciton.”

Page 26: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

1352

1356P

hoto

n E

nerg

y (m

eV)

X

XX

CXM

T = 40 K

Dynamics of the QD emission – Purcell efect

1352 1356

XXCX

10 KXM

33 K

44 K

Pho

tolu

min

esce

nce

(arb

. uni

ts)

50 K

Photon Energy (meV)

0.5 1.0 1.5 2.0Time (ns)

0.5 1.0 1.5 2.0Time (ns)

1352

1356

Pho

ton

Ene

rgy

(meV

)

X

XX in resonanse with the Mode

CX T = 10 K

tXX = 140 ps when XX in resonanse with the mode - Purcell efect

Pillar A (diameter = 1.7mm, gM = 1.08 meV, Q = 1250,Purcell factor Fp= 7.2

Page 27: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

10 20 30 40 500.0

0.5

1.0

Dec

ay ti

me

(ns)

Temperature (K)

XX

When XX-M detuning increases Purcell efect decreases XX decay longer

Emission dynamics at mode wavelength the same as XX emission dynamics !

Above T = 45 K – 50 K carrier lifetime in wetting layer increases excitonic decay gets longer

10 20 30 40 500.0

0.5

1.0

Dec

ay ti

me

(ns)

Temperature (K)

XX M

pillar A

Dynamics of the emission of the coupled system

Page 28: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

0.5 1.0 1.5 2.0

710 ± 30 ps

M

Eim

issi

on Int

ensi

ty (ar

b. u

nits

)

Time (ns)

X

670 ± 30 ps

Pillar B, diameter = 2.3 mm,gM = 0.45 meV, Q = 3000,

Purcell factor Fp= 8

T = 53 K

T = 53 KX

M

1344 1346 1348

M

X

M

67K

57K

44K

62K

53K

Pho

tolu

min

esce

nce

(arb

. uni

ts)

Photon Energy (meV)

X

Ene

rgy

pillar B

pillar B

X and M decay constants similar

Dynamics of the emission of the coupled system

Page 29: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.50.0

0.5

1.0

Dec

ay ti

me

(ns)

X

1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.50.0

0.5

1.0

Dec

ay ti

me

(ns)

X M

50 60 70

X E

mis

sion

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

44Temperatura (K)

Odstrojenie X - M (meV)

pillar B

X emission intensity increases when X-M detuning decreases: Evidence for Purcell effect

T> 45 K :Shortening of the X lifetime with decreasing X- M detuning impossible to be observed

Purcell factor determination basing on the emission dynamics not always reliable

M i X decay constants similar

Dynamics of the emission of the coupled system

Page 30: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Below T=45 K temperature does not affect the X emission dynamics. PL decay time reflects exciton recombination rate

10 20 30 40 500.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Dec

ay T

ime

(ns)

Temperature (K)

X,meza APillar A

T< 45 K

Exciton dynamics vs T, pillar A

Page 31: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Exciton emission decay longer for T > 45 - 50 K

PL decay time does not reflect exciton recombination rate

T> 45 K

10 20 30 40 500.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Dec

ay T

ime

(ns)

Temperature (K)

X,meza APillar A

Exciton dynamics vs T, pillar A

Page 32: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Mod

e D

ecay

Tim

e (n

s)

QD Decay Time (ns)

slope = 1.02 ± 0.08

Strong correlation between exciton and Mode decay constants

The same emitter responsible for the emission at both (QD i M) energies

QD-M detuning (< 3gM) does not crucial for the QD→M transfer effciency

-2 0 20.0

0.5

1.0

1.5

M / Q

D

Detuning /M J. Suffczyński, PRL 2009

Statistics on different micropillars

Page 33: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Naesby et al., Phys. Rev. A (2008) Influence of pure dephasing on emission spectra from single photon sources

Dephasing rate :

The role of QD state dephasing

0.0

0.5

1.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

Rel

ativ

e M

ode

Int

ensi

ty

X-M Detuning (meV)

Naesby et al.: effects of QD states dephasing responsible fort the emission at mode wavelength

X M

Em

issi

onIn

tens

ity

(arb

. uni

ts)

Pillar B, gM = 0.45 meV

Page 34: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Contribution from different emission lines

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Mod

e D

ecay

Tim

e (n

s)QD Decay Time (ns)

slope = 1.02 ± 0.08

When two lines are detuned similarly from the mode, the contribution from more dephased one to the mode emission is dominant

Page 35: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Phonons - diatomic chain example

M m M m M

Page 36: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Solutions to the Normal Mode Eigenvalue Problemω(k) for the Diatomic Chain

There are two solutions for ω2 for each wavenumber k. That is, there are 2 branches to the “Phonon Dispersion Relation” for each k.

0 л/a 2л/a–л/a k

wA

BC

ω+ = Optic Modes

ω- = Acoustic Modes

Page 37: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Transverse optic mode for the diatomic chain

The amplitude of vibration is strongly exaggerated!

Page 38: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Transverse acoustic mode for thediatomic chain

Page 39: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Interpretation of the single photon correlation results

Crosscorrelation M - X = (X+CX+XX) - X = X-X + CX-X + XX-XX-X CX-X XX-X

1

0

1

0

1

0

+ +a* b* c*

g(2) (t) g(2) (t) g(2) (t)

t t t

1

0

=

M-X

Hennessy et al., Nature (2007) g(2)(0) ~ 0 Asymmetry of the M-X correlation histogram

M-Xg(2) (t)

tt (ns)

Page 40: Quantum Dots in Photonic Structures Wednesdays, 17.00, SDT Jan Suffczyński Projekt Fizyka Plus nr POKL.04.01.02-00-034/11 współfinansowany przez Unię Europejską

Autocorrelation M-M = 2*(X-X + CX-CX + XX-XX) + X-CX + CX-X + X-XX + X-XX + CX-XX + XX-CX:

Time (ns)0

Hennessy et al., Nature (2007)

+…=

CX-CX1

0

X-X1

0

XX-XX1

0

1

0

CX-XX1

0

CX-X1

0

XX-X

g(2)(0) ≠ 0 Symmetry of the M-M correlation histogram

1

0

M-M

M-M

Interpretation of the single photon correlation results