Колодка Роман Степанович Когерентнi властивостi екситона одиничної квантової точки помiщеної у фотодiод

Краткое описание

Колодка Роман Степанович, інженер першої категорії за темою 19БФ051-04 НДЛ «Електронно-оптичних процесів» кафедри експериментальної фізики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Назва дисертації: «Когерентнi властивостi екситона одиничної квантової точки помiщеної у фотодiод». Шифр та назва спеціальності 01.04.05 оптика, лазерна фізика. Спецрада Д26.001.23 Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Київський Нацiональний Унiверситет
iменi Тараса Шевченка
На правах рукопису
Колодка Роман Степанович
УДК 53.07, 535.3
Когерентнi властивостi екситона одиничної
квантової точки, помiщеної у фотодiод
01.04.05 — оптика, лазерна фiзика
Дисертацiя на здобуття наукового ступеня
кандидата фiзико-математичних наук
Науковий керiвник
Дмитрук Iгор Миколайович,
доктор фiзико-математичних наук, професор
Київ — 2021

ЗМIСТ
Анотацiя 2
Вступ 18
Роздiл 1. Напiвпровiдниковi квантовi точки для квантових
обчислень 22
1.1. Квантовi точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.1.1. Низькорозмiрнi напiвпровiдниковi структури . . . . . 22
1.1.2. Оптичнi та електричнi властивостi квантових точок . 30
1.1.3. Квантова точка– “штучний атом” . . . . . . . . . . . . 34
1.2. Квантовi обчислення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.2.1. Мiнiатюризацiя елементiв комп’ютера . . . . . . . . . 36
1.2.2. Використання квантового бiта . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.3. Структура квантового комп’ютера . . . . . . . . . . . 39
1.2.4. Вимоги до фiзичної реалiзацiї квантових обчислень . 41
1.2.5. Набiр операцiй квантової логiки . . . . . . . . . . . . 43
1.3. Когерентне оптичне керування квантовою системою . . . . . 46
1.3.1. Когерентнiсть квантової точки . . . . . . . . . . . . . 46
1.3.2. Рабi осциляцiї . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.3.3. Представлення за допомогою сфери Блоха . . . . . . 51
1.3.4. Час життя та час когерентностi екситона . . . . . . . 52
1.4. Висновки до роздiлу 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Роздiл 2. Експериментальнi методи дослiдження та опис зразка 55
2.1. Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2. Огляд лiтератури . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
16
2.2.1. Контроль p-орбiталi за рахунок вимiрювання фотолюмiнесценцiї з s-орбiталi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.2. Резонансна флюоресценцiя . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.2.3. Часороздiльний памп-проб . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.4. Переваги оптичних методiв та недолiки методу вимiрювання фотоструму . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.2.5. Переваги методики вимiрювання фотоструму . . . . . 64
2.3. Квантова точка помiщена у фотодiод . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.1. Епiтаксiйне вирощування напiвпровiдникової пластини 65
2.3.2. Виготовлення зразка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4. Вимiрювання фотоструму . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.4.1. Методика визначення заселеностi екситону вимiрюванням струму . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.4.2. Електричнi характеристики зразка . . . . . . . . . . . 72
2.5. Оптична спектроскопiя. Мiкро-фотолюмiнесцентна характеризацiя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.6. Змiна форми оптичного iмпульсу . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Роздiл 3. Рабi осциляцiї нейтрального екситона 82
3.1. Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2. Компромiс мiж ефективнiстю вимiрювань методом фотоструму та когерентнiстю екситона . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3. Спостереження Рабi осциляцiй . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.1. Вимiрювання при одиничному iмпульсi . . . . . . . . 85
3.3.2. Вилучення фонового сигналу . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.3. Вимiрювання при подвiйному iмпульсi . . . . . . . . . 87
3.4. Часороздiльнi вимiрювання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5. Висновки до роздiлу 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
17
Роздiл 4. Вплив форми iмпульсу на Рабi осциляцiю 90
4.1. Профiль збудження для П-подiбного iмпульсу . . . . . . . . 92
4.2. Походження бiчних пiкiв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3. Гаусовий iмпульс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.4. Порiвняння з теорiєю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.5. Висновки до роздiлу 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Роздiл 5. Двоiмпульсне збудження. Квантова iнтерференцiя 101
5.1. Iнтерференцiя Рамзея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2. Биття Рамзея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.3. Висновки до роздiлу 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Роздiл 6. Час життя та час когерентностi екситона 106
6.1. Визначення часу когерентностi екситона . . . . . . . . . . . 108
6.2. Вимiрювання вiдновлення iнверсiї. Визначення часу життя
за допомогою π iмпульсiв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3. Вплив ефекту тунелювання електрона та дiрки на когерентнi
властивостi екситона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.4. Ефективнiсть детектування фотоструму . . . . . . . . . . . . 117
6.5. Висновки до роздiлу 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Висновки 120
Список використаних джерел 122

Список литературы

ВИСНОВКИ
1. Виготовлено фотодiод Шотткi на основi напiвпровiдникової пластини з InGaAs/GaAs КТ-ми малої концентрацiї, якi вирощено методом молекулярно-променевої епiтаксiї. На зразок, окрiм омiчного
та Шотткi контактiв, нанесено затiнюючу металеву маску iз субмiкронними апертурами. Таким чином отримано доступ до одиничних
КТ.
2. Для визначення заселеностi стану екситона використано метод вимiрювання фотоструму. Детектування струмом забезпечує майже
миттєвий результат, уможливлюючи спектральнi вимiрювання (приблизно, сто точок в областi кiлькох меВ) чи вимiрювання Рабi осциляцiй (близько ста точок на область в 6π) за декiлька хвилин.
3. Спостереженнями Рабi осциляцiй (до 6π) показано, що таку КТ
можна розглядати як дворiвневу систему, де нижчому рiвню вiдповiдає КТ без екситонiв, а верхньому– iз нейтральним екситоном
в основному станi. Це дозволяє виконувати на базi одиничної КТ
квантовi вентилi. Реалiзовано вентилi NOT та перетворення Адамара.
4. Структура фотодiода дозволяє застосовувати певний ступiнь контролю електричного поля в якому перебуватиме КТ. За рахунок
квантово-розмiрного ефекту Штарка можна змiнювати енергiю екситона. Разом зi збудженням подвiйними iмпульсами це дозволяє приготувати дослiджувану дворiвневу систему у потрiбнiй фазi та рiвнi
заселеностi.
5. У зонах з низькою площею iмпульсу (Θ < π) КТ має лiнiйний вiдгук
та профiль збудження, подiбний до спектру iмпульсiв. При бiльших
121
значеннях площi, спектрально п-подiбних iмпульсiв, спостерiгається
нелiнiйне поглинання при двох бiчних резонансах у профiлi збудження.
6. Використано явище квантової iнтерференцiї для вимiрювань часу
когеренцiї та часу життя стану нейтрального екситона.
7. Iз вимiрювань часу життя визначено механiзм релаксацiї: тунелювання вiдбувається як двоступеневий процес,– швидке для електрона
та повiльне для дiрки.
8. Ефективнiсть детектування фотоструму є обмеженою через повiльне, у порiвняннi iз перiодом випромiнювання лазера, тунелювання
дiрки.