Optisches Magnetkryostat-System mit Präparations- und Analyseoptionen
Final Report Abstract
Das beschaffte Kryostatsystem hat sich in kurzer Zeit zu einem integralen Bestandteil des Instituts für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen (IHFG) in der Herstellung von hocheffizienten Einzelphotonenlichtquellen basierend auf Halbleiterquantenpunkten (QP) entwickelt. Mit Hilfe der nun möglichen hochpräzisen Spektroskopie und nieder-Temperatur Lithographie ist es uns nun möglich, sehr genau QPs mit definierten Emissionsenergien in photonische Strukturen zu platzieren, um dadurch die Abstrahlcharakteristik zu erhöhen. Vor allem in Kombination mit konventionellen Techniken wie Elektronenstrahllithographie bzw. der Polymerabscheidung mittels Laserstrahl eröffnen sich eine Vielzahl neuer Fabrikationsmöglichkeiten. Das Potenzial des beschafften Systems konnte in Kooperation mit dem 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart eindrücklich demonstriert werden. Am IHFG hergestellte Proben mit InAs Quantenpunkten auf DBR-Spiegeln wurden im Magnetkryostatsystem spektroskopisch untersucht um die Quantenpunkte mit intensiven Emissionslinien zu kartographieren. Danach wurde ein isolierter QP mit einer sehr intensiven Lumineszenz selektiert und mittels der in-situ Lithographie bei tiefen Temperaturen mit Markern versehen. Anhand dieser sehr präzisen Marker, war es nun möglich mit Hilfe eines 3D Druckverfahrens eine hemisphärische Polymerlinse direkt über den emittierenden QP zu platzieren. Die folgenden spektroskopischen Untersuchungen zeigten, die Überlegenheit der Kombination der verwendeten Prozessierungsmethoden und eine Erhöhung der Photolumineszenzintensität um den Faktor 2. Des Weitern wurden ähnliche Quantenpunktstrukturen, nun in Kombination in-situ Lithographie und Elektronenstrahl- Lithographie, in laterale photonische Strukturen deterministisch platziert. Eine deutlich reduzierte Lebensdauer des Exzitons lässt auf einen erhöhten Purcell-Faktor schließen, der wiederum auf die erfolgreiche Manipulation der Emissionseigenschaften durch die passgenaue photonische Struktur schließen lässt. Neben der deterministischen Herstellung der Proben lässt sich mit dem beschafften System auch hochpräzise Spektroskopie betreiben. Dies wird in einer momentan laufenden Arbeit verwendet. Hierbei wird ein Fabry-Pérot Faserresonator um einen ausgewählten Quantenpunkt geformt. Dieser besteht auf einer Seite aus einer Halbleiterprobe mit DBR-Spiegelpaaren auf den die QP abgeschieden wurden. Die andere Seite wird durch einen, in die optische Faser integrierten Hohlspiegel realisiert. Mit dem Kryostatsystem kann nun zuerst mit hoher lateraler Genauigkeit ein isolierter Quantenpunkt mit der gewünschten Emissionsenergie ausgewählt werden um dann über eine Höhenanpassung der Faser den Resonator exakt auf diese Energie in Resonanz zu bringen. Erste Ergebnisse konnten schon die deutliche Einzelphotonenemission des Resonators zeigen. Das enorme Potenzial der beschafften Anlage ermöglicht uns entscheidende Fortschritte im Bereich der Quantentechnologien in der nahen Zukunft umzusetzen.
Publications
- Combining in-situ lithography with 3D printed solid immersion lenses for single quantum dot spectroscopy, Scientific Reports 7, Article number: 39916 (2017)
Marc Sartison, Simone Luca Portalupi , Timo Gissibl, Michael Jetter, Harald Giessen, und Peter Michler
(See online at https://doi.org/10.1038/srep39916) - Pure singlephoton emission from InGaAs QDs in a tunable fiber-based external mirror microcavity, 2018 Quantum Sci. Technol.
T. Herzog, M. Sartison, S. Kolatschek, S. Hepp, A.Bommer, C. Pauly, F. Mücklich, C. Becher, M. Jetter, S.L. Portalupi and P. Michler
(See online at https://doi.org/10.1088/2058-9565/aac64d)
