Halbleiter-Photonik – LEDs, Laser, Quantenemitter Rüdiger Schmidt-Grund
Universität Leipzig Institute of Experimental Physics II Semiconductor Physics Group Leipzig, Germany
[email protected] http://www.uni-leipzig.de/~hlp/ http://polariton.exphysik.uni-leipzig.de/
Bayreuth, 01.10.2015
Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
2
Halbleiter-Photonik im täglichen Leben
elektronisches System
Wechselwirkung
photonisches System
Licht-Emission LED Beleuchtung – Energieeinsparung
Laser Polariton-Systeme
Anzeigeelemente Unterhaltungs- und Kommunikationstechnik
Einzelphotonen-Quellen „Quanten-Licht“
Telekomunikation Informationsverarbeitung, optischer Datentransport Quanten-Computing, optische Datenverschlüsselung (Quantenkryptographie)
Grundlagenphysik Semiconductor Physics Group
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3
LED: Beleuchtung – Energieeinsparung bimmertoday.de
jamara-led.de
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4
LED: Beleuchtung – Energieeinsparung final energy demand in the residential sector
EU ENERGY, TRANSPORT AND GHG EMISSIONS, TRENDS TO 2050, REFERENCE SCENARIO 2013, doi: 10.2833/17897, EU (2014)
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5
LED: Beleuchtung – Energieeinsparung
U.S. Department of Energy
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6
LED
zdnet.de
Los Angeles Times
chip.de
lichtleitfasern.de Semiconductor Physics Group
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7
Halbleiter-Laser
dr-fechtig.de
hama.com
knotek-figuren.de
wikipedia leica-geosystems.de presseportal.de
barcodescanner-info.de
shop.heise.de
welt.de pro-physik.de Semiconductor Physics Group
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8
Klassische und Quanten-Photonik lucedaphotonics.com
extremetech.com
Optische Datenverarbeitung und On-Chip-Transport schnell Multiplexing Q-bits
Boston University
source: IBM
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9
Halbleiter-Quanten-Photonik TU Berlin
Einzelphotonen-Quellen Verschränkung Bose-Einstein-Kondensate heise.de
quantum-mind.co.uk www.nsf.gov Semiconductor Physics Group
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10
elektronisches System
Wechselwirkung
photonisches System
Licht-Emission
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elektronisches System
Wechselwirkung
photonisches System
Band-Struktur
photonische Zustandsdichte
Exzitonen
photonische Kristalle Licht-Emission
Resonatoren
2-Niveau-System spontane Emission – Photonenkontinuum spontane Emission – resonante photonische Zustände, Purcell-Effekt stimulierte Emission schwache vs. starke Wechselwirkung Exziton-Polaritonen und Bose-Einstein-Kondensate
Einzelphotonenemitter und Quellen verschränkter Photonen Semiconductor Physics Group
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12
Elektronisches System elektronische Band-Struktur
periodische Anordnung der Atome in einem Kristallgitter ändert die (parabolische) Dispersion der freien Elektronen und führt zur Ausbildung einer elektronischen Bandstruktur
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Elektronisches System elektronische Band-Struktur
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Elektronisches System elektronische Band-Struktur
elektronische Anregung: freie Elektronen im Leitungsband
berücksichtige Coulomb-Wechselwirkung zwischen e- und h+
und frei Löcher im Valenzband Semiconductor Physics Group
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Elektronisches System Exzitonen berücksichtige Coulomb-Wechselwirkung zwischen e- und h+
gebundene Elektron-Loch-Paare Wasserstoff-Modell diskrete Zustände
Energie der Anregung um
Exziton-Bindungsenergie EXB kleiner als Eg EXB ~ 1 … 100 meV kbT (Raumtemperatur) ~ 25 meV
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Photonisches System
photonische Dispersion im Vakuum/homogenen Material (3D):
Energie
linear, d.h. Photonen haben keine Masse
Impuls
photonische Zustandsdichte im Vakuum/homogenen Material (3D):
es existieren für jede Frequenz Vakuum-Moden Resonanz für jede mögliche Oszillatorfrequenz osc Semiconductor Physics Group
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Photonisches System photonische Band-Struktur
analog zu Kristall-Elektronen: periodische Anordnung von Material mit unterschiedlichem Brechungsindex (photonischer Kristall) ändert die lineare Dispersion der Kontinuums-Photonen und führt zur Ausbildung einer photonischen Bandstruktur
P. Viktorovitch et al., C. R. Physique 8, 253 (2007) Semiconductor Physics Group
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Photonisches System photonische Band-Struktur
inverser Opal
photonische Bandlücke (“Halbleiter für Licht”)
keine optischen Moden erlaubt keine Ausbreitung von Licht Dispersion ist nicht linear d.h. Photonen haben effektive Masse
es existieren nicht für jede Frequenz Moden Resonanz nicht für jede mögliche Oszillatorfrequenz osc
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19
Photonisches System photonische Band-Struktur einfachster und am weitesten verbreiteter photonischer Kristall: Bragg-Reflektor (1D-PC)
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20
Photonisches System photonische Band-Struktur einfachster und am weitesten verbreiteter photonischer Kristall: Bragg-Reflektor (1D-PC)
hochreflektierende Spiegel für ein begrenztes Spektralband (Stopp-Bande) (typisch: R > 99,8 %) Semiconductor Physics Group
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21
Photonisches System Resonatoren Störstelle im photonischen Kristall: (Mikro-) Kavität
erlaubte photonische Mode in der Stopp-Bande erhöhte Modendichte Modendichte wenn Reflexionsvermögen der Spiegel Semiconductor Physics Group
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elektronisches System
Wechselwirkung
photonisches System
Band-Struktur
photonische Zustandsdichte
Exzitonen
photonische Kristalle Licht-Emission
Resonatoren
2-Niveau-System spontane Emission – Photonenkontinuum spontane Emission – resonante photonische Zustände, Purcell-Effekt stimulierte Emission schwache vs. starke Wechselwirkung Exziton-Polaritonen und Bose-Einstein-Kondensate
Einzelphotonenemitter und Quellen verschränkter Photonen Semiconductor Physics Group
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Wechselwirkung Photon – Elektron Prozesse: - Anregung von Exzitonen - strahlender Zerfall von Exzitonen - Streuung von Exzitonen - Erzeugung von Photonen - Zerfall von Photonen in den Außenraum - Re-Absorption von Photonen
Zeitskalen, Energien der Anregungen, Wechselwirkungs-Stärke der Systeme
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Wechselwirkung Photon – Elektron
RabiOszillationen
𝑤 ~ 𝜌𝑝ℎ𝑜𝑡 , 𝑉𝑚𝑛 Übergangs-Rate photonische Zustandsdichte und elektronisches Dipolmoment
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Wechselwirkung Photon – Elektron
RabiOszillationen
𝑤 ~ 𝜌𝑝ℎ𝑜𝑡 , 𝑉𝑚𝑛 Übergangs-Rate photonischen Zustandsdichte und elektronischem Dipolmoment
Kopplung Elektron – Photon: neue Energieeigenwerte
Rabi-Frequenz
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26
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
Semiconductor Physics Group
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
Rüdiger Schmidt-Grund
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
“Halbleiter-Photonik”
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27
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
“Standard” LED J. Zúñiga-Pérez, CNRS-CRHEA, Valbone, Fr. (2010) Semiconductor Physics Group
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28
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
“Standard” LED J. Zúñiga-Pérez, CNRS-CRHEA, Valbone, Fr. (2010) Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
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29
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
“Standard” LED
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
J. Zúñiga-Pérez, CNRS-CRHEA, Valbone, Fr. (2010) Semiconductor Physics Group
Quanten-Optische Bauelemente Rüdiger Schmidt-Grund
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Wechselwirkung Photon – Elektron schwache Kopplung
starke Kopplung
qualitativ bei Exzitonen-Zerfall emittiertes Photon entkommt in den Außenraum wird re-absorbiert ehe es re-absorbiert wird bevor es in den Außenraum entkommen kann irreversibler reversibler ( „Rabi-Oszillationen“ ) Energie-Transfer quantitativ Zeitkonstante der Kavitäts-Kontinuum-WW ist kleiner größer als die der Emitter-Kavitäts-WW Semiconductor Physics Group
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31
Wechselwirkung Photon – Elektron Strahlungsgleichgewicht
Semiconductor Physics Group
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Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
spontane Emission
“Standard” LED
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
stimulierte Emission
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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33
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
spontane Emission
“freie Plätze” für Photonen
Materialeigenschaft elektronische Zustandsdichte
“Standard” LED
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
stimulierte Emission
Anzahl der angeregten Elektronen (Fermi-Statistik)
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
spontane Emission
“freie Plätze” für Photonen
Materialeigenschaft elektronische Zustandsdichte
“Standard” LED
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
stimulierte Emission
Anzahl der angeregten Elektronen (Fermi-Statistik)
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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LED
Wirkungsgrad – Anzahl der Ausgekoppelten Photonen
aktives Gebiet meist (Multi-) Quantengraben (Confinement von Elektronen bzw. Exzitonen)
Semiconductor Physics Group
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36
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
spontane Emission
“freie Plätze” für Photonen
Materialeigenschaft elektronische Zustandsdichte
“Standard” LED
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
stimulierte Emission
Anzahl der angeregten Elektronen (Fermi-Statistik)
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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37
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
spontane Emission
“freie Plätze” für Photonen
Materialeigenschaft elektronische Zustandsdichte
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
stimulierte Emission
Anzahl der angeregten Elektronen (Fermi-Statistik)
in Kavität: Modendichte für Photonen erhöht
Emissionsrate ist erhöht (Purcell-Effekt)
“Standard” LED
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
spontane Emission
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
stimulierte Emission
FP = … 103 Q Lebensdauer der Photonen Reflektivität der Spiegel gut: kleines Modenvolumen in Kavität:
Bedingungen: • Emitter in Resonanz mit Kavitätsmode (ansonsten kann es auch zur Unterdrückung des Zerfalls kommen) • Emitter ist im Wellenbauch der Mode platziert “Standard” LED
Modendichte für Photonen erhöht
Emissionsrate ist erhöht (Purcell-Effekt)
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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Resonant-Cavity-LED Resonator-Effekt – stehende Welle
• Verringerung der spektralen und angularen Linienbreite durch Kavitätsmode • Lorenzförmige Spektralverteilung der Emission • gerichtete Emission • Erhöhung der Zerfallsrate (Purcell-Effekt): hohe Intensitäten (> Faktor 5) und schnelle Schaltzeiten (ns) • Einsatz oft in Telekomunikation Semiconductor Physics Group
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Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
spontane Emission
“Standard” LED
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
stimulierte Emission
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
spontane Emission
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
stimulierte Emission
Netto Netto rstim P wstim P LV f L fV
“besetzte Plätze” der photonischen Moden Lebensdauer der Photonen in der Kavität
“Standard” LED
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
spontane Emission
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
stimulierte Emission
Netto Netto rstim P wstim P LV f L fV
“besetzte Plätze” der photonischen Moden Lebensdauer der Photonen in der Kavität
Differenz der Fermi-Verteilungsfunktion im Leitungs- und Valenzband „elektronische Inversion“
elektronische kombinierte Zustandsdichte
“Standard” LED
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Bedingungen: • elektronische Inversion: freie Plätze im Valenzband (Löcher) und besetze im Leitungsband
Semiconductor Physics Group
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Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Bedingungen: • elektronische Inversion: freie Plätze im Valenzband (Löcher) und besetze im Leitungsband • hoch-besetzte Photonenmode kohärentes Photon-Feld „stimulierte Emission von Photonen in Kavitäts-Mode“
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Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Bedingungen: • elektronische Inversion: freie Plätze im Valenzband (Löcher) und besetze im Leitungsband • hoch-besetzte Photonenmode kohärentes Photon-Feld „stimulierte Emission von Photonen in Kavitäts-Mode“ Rate der stimulierten Emission größer als die der spontanen Emission Verhältnis der Raten bzw. Überganswahrscheinlichkeiten: wspon Netto wstim
f L (1 fV ) 1 ( F F ) L V ( f L fV ) 1 exp kT > 1 LED Semiconductor Physics Group
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46
Laser Übergang LED- zu Laserbetrieb an der Laserschwelle
typisch: nicht-linearer Anstieg der Lichtemission als Funktion der Ladungsträgerinjektion
Semiconductor Physics Group
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Laser Übergang LED- zu Laserbetrieb an der Laserschwelle Nt
typisch: nicht-linearer Anstieg der Lichtemission als Funktion der Ladungsträgerinjektion “optischer Gewinn” – setzt ein bei N N t
g
N N t sp spontane strahlende
TransparenzLadungsträgerdichte
Rekombinations-Zeit
Absorption verschwindet, da Zustände gefüllt sind
Semiconductor Physics Group
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Laser Übergang LED- zu Laserbetrieb an der Laserschwelle Nt
typisch: nicht-linearer Anstieg der Lichtemission als Funktion der Ladungsträgerinjektion “optischer Gewinn” – setzt ein bei N N t
g
N N t sp spontane strahlende
TransparenzLadungsträgerdichte
Rekombinations-Zeit
: Kopplungsfaktor der spontanen Emission gibt an, wie viele der spontan emittierten Photonen in die Lasermode einkoppeln Funktion des Purcell-Faktors: Semiconductor Physics Group
FP 1
3 FP
3
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Laser Ziel: kleiner Schwellstrom hohe Quantenausbeute Optimierung:
geringe Verluste - starkes Confinement hohe Reflektivität - wenige Moden (ideal: eine) kurzer Resonator hoher Purcell-Faktor - starkes Confinement hohe Reflektivität - hohe phot. Zustandsichte kleines Volumen
damit optimale Laser-Typen: VCSEL (Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser) + laterale Strukturierung (kleines Volumen, wenig Verlustmoden)
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Laser
S. Kim, School of Electrical and Computer Engineering, Purdue University 2007 Chang-Hasnain, “Semiconductor Diode Lasers”, EECS 233 (2002) Semiconductor Physics Group
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51
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
neue Quasiteilchen: Kavitäts-Exziton-Polaritonen Bosonen! “Standard” LED
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
RabiOszillationen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
sehr hohe Lebensdauern der Exzitonen und Kavitäts-Photonen extrem hoch-reflektierende (Bragg-)Spiegel
neue Quasiteilchen: Kavitäts-Exziton-Polaritonen Bosonen! “Standard” LED
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
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53
Exziton-Polaritonen getrennte Behandlung der Systeme Kavitäts-Photon und Exziton nicht mehr möglich!
Exziton-Polaritonen
Hamiltonian: 𝐻𝑝𝑜𝑙 = 𝐻𝐶𝑎𝑣 + 𝐻𝑋 + 𝐻𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑎𝑐𝑡 =
𝐸𝐶𝑎𝑣 𝑘|| , 𝑘⊥ 𝑎𝑘∗ || 𝑎𝑘|| +
𝐸𝑋 𝑘|| 𝑏𝑘∗ || 𝑏𝑘|| +
𝑉 𝑎𝑘∗ || 𝑏𝑘|| + 𝑎𝑘|| 𝑏𝑘∗ ||
komplexe Energien: 𝐸 – berücksichtigen elektronische und photonische Verluste Semiconductor Physics Group
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Exziton-Polaritonen getrennte Behandlung der Systeme Kavitäts-Photon und Exziton nicht mehr möglich!
Exziton-Polaritonen
Hamiltonian: 𝐻𝑝𝑜𝑙 = 𝐻𝐶𝑎𝑣 + 𝐻𝑋 + 𝐻𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑎𝑐𝑡 =
𝐸𝐶𝑎𝑣 𝑘|| , 𝑘⊥ 𝑎𝑘∗ || 𝑎𝑘|| +
𝐸𝑋 𝑘|| 𝑏𝑘∗ || 𝑏𝑘|| +
𝑉 𝑎𝑘∗ || 𝑏𝑘|| + 𝑎𝑘|| 𝑏𝑘∗ ||
Diagonalisierung, …, Eigenwerte:
komplexe Energien: 𝐸 – berücksichtigen elektronische und photonische Verluste Semiconductor Physics Group
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55
Exziton-Polaritonen getrennte Behandlung der Systeme Kavitäts-Photon und Exziton nicht mehr möglich!
Exziton-Polaritonen
Hamiltonian: 𝐻𝑝𝑜𝑙 = 𝐻𝐶𝑎𝑣 + 𝐻𝑋 + 𝐻𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑎𝑐𝑡 =
𝐸𝐶𝑎𝑣 𝑘|| , 𝑘⊥ 𝑎𝑘∗ || 𝑎𝑘|| +
𝐸𝑋 𝑘|| 𝑏𝑘∗ || 𝑏𝑘|| +
𝑉 𝑎𝑘∗ || 𝑏𝑘|| + 𝑎𝑘|| 𝑏𝑘∗ ||
Diagonalisierung, …, Eigenwerte:
Kopplungsstärke: V
wR
ExzitonOszillatorstärke Optimierung:
Reflektivität der Spiegel photonische Energiedichte in der Kavität
höchste Materialqualität und extrem hoch-reflektierende Spiegel
komplexe Energien: 𝐸 – berücksichtigen elektronische und photonische Verluste Semiconductor Physics Group
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56
Exziton-Polaritonen extrem leichte, wechselwirkende bosonische Quasiteilchen Masse ~ 10 -4…-5 der Elektronen- / Exzitonenmasse
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Exziton-Polaritonen extrem leichte, wechselwirkende bosonische Quasiteilchen Masse ~ 10 -4…-5 der Elektronen- / Exzitonenmasse besitzen photonische und elektronische Eigenschaften, können eingestellt werden über energetisches Verstimmen der Exziton- und Kavitäts-Photon-Energien
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58
Exziton-Polaritonen extrem leichte, wechselwirkende bosonische Quasiteilchen Masse ~ 10 -4…-5 der Elektronen- / Exzitonenmasse besitzen photonische und elektronische Eigenschaften, können eingestellt werden über energetisches Verstimmen der Exziton- und Kavitäts-Photon-Energien
photonisch: Polarisation, weite und schnelle Ausbreitung Datentransport elektronisch: hohe Lebensdauer, Wechselwirkungen wechselwirkend: Streuung, Beschleunigung, Trapping, Drehimpulsänderung, … Manipulation!
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59
Exziton-Polaritonen extrem leichte, wechselwirkende bosonische Quasiteilchen Masse ~ 10 -4…-5 der Elektronen- / Exzitonenmasse besitzen photonische und elektronische Eigenschaften, können eingestellt werden über energetisches Verstimmen der Exziton- und Kavitäts-Photon-Energien
photonisch: Polarisation, weite und schnelle Ausbreitung Datentransport elektronisch: hohe Lebensdauer, Wechselwirkungen wechselwirkend: Streuung, Beschleunigung, Trapping, Drehimpulsänderung, … Manipulation! bosonisch: können in makroskopischer Zahl einen quantenmechanischen Zustand besetzen (Bose-Einstein-Kondensat, Superfluide) geringe Masse: hohe kritische Temperaturen (Raumtemperatur) für Bildung eines makroskopischen quantenmechanischen Zustandes Semiconductor Physics Group
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60
Bose-Einstein-Kondensat (BEC) 1925 Einstein: Bei niedrigen, aber endlichen Temperaturen würde sich ein großer Anteil der Atome des Gases im energetischen Grundzustand (Bose-Einstein Kondensat) befinden, der andere Teil verbliebe im Zustand des idealen Gases.
Semiconductor Physics Group
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61
Bose-Einstein-Kondensat (BEC) 1925 Einstein: Bei niedrigen, aber endlichen Temperaturen würde sich ein großer Anteil der Atome des Gases im energetischen Grundzustand (Bose-Einstein Kondensat) befinden, der andere Teil verbliebe im Zustand des idealen Gases.
de-Broglie-Wellenlänge: thermische Wellenlänge eines Teilchens im Wellenbild
dB T
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2 m k BT
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62
Bose-Einstein-Kondensat (BEC) 1925 Einstein: Bei niedrigen, aber endlichen Temperaturen würde sich ein großer Anteil der Atome des Gases im energetischen Grundzustand (Bose-Einstein Kondensat) befinden, der andere Teil verbliebe im Zustand des idealen Gases.
de-Broglie-Wellenlänge: thermische Wellenlänge eines Teilchens im Wellenbild
dB T
Semiconductor Physics Group
2 m k BT
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63
Bose-Einstein-Kondensat (BEC) Exciton-Polariton BEC
kohärent, Laser-artig Semiconductor Physics Group
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64
Bose-Einstein-Kondensat (BEC) Exciton-Polariton BEC Polaritonen: starke Wechselwirkung untereinander und mit der Umgebung dynamischer Charakter Quasi-Gleichgewicht – “Quasi-BEC”
aber: dadurch interessante Anwendungen möglich Transport und Manipulation von Quantenzuständen Quanten-Informationstechnologie Opto-Elektronische Schnittstellen ohne Wandler und Grundlagenphysik quantenmechanische Effekte experimentell “leicht” zugänglich kohärent, Laser-artig Semiconductor Physics Group
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65
Bose-Einstein-Kondensat (BEC) “standard” Laser
Exziton-Polariton BEC
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66
Bose-Einstein-Kondensat (BEC) “standard” Laser
Exziton-Polariton BEC
für BEC viel kleinere Ladungsträgerdichten nötig Niedrigschwellen-Laser/ LED H. Deng et al., PNAS 100, 15318 (2003) Semiconductor Physics Group
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67
Exziton-Polaritonen – Anwendungen
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68
Exziton-Polaritonen – Anwendungen
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69
Exziton-Polaritonen – Anwendungen Schalter für Polariton-Superfluid Polariton-Superfluid: ein in Bewegung versetztes BEC Quanten-Informationstechnologie
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70
Exziton-Polaritonen – Anwendungen Polariton-Interferometer Quanten-Informationstechnologie
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Exziton-Polaritonen – Anwendungen parametrische Streuung Erzeugung verschränkter Photonen sichere Kommunikation, Quanten-Computing parametrische Streuung:
• bosonische Eigenschaft • Streurate in einen Zustand hängt von dessen Besetzung ab • Streurate für Besetzung “bosonic final state stimulation”
C.P. Dietrich, RSG et al, PRB 91, 041202(R) (2015). Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
72
Exziton-Polaritonen – Anwendungen parametrische Streuung Erzeugung verschränkter Photonen sichere Kommunikation, Quanten-Computing parametrische Streuung:
• bosonische Eigenschaft • Streurate in einen Zustand hängt von dessen Besetzung ab • Streurate für Besetzung “bosonic final state stimulation”
10µm
C.P. Dietrich, RSG et al, PRB 91, 041202(R) (2015). Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
73
Exziton-Polaritonen – Anwendungen parametrische Streuung Erzeugung verschränkter Photonen sichere Kommunikation, Quanten-Computing parametrische Streuung:
• bosonische Eigenschaft
ununterscheidbar
• Streurate in einen Zustand hängt von dessen Besetzung ab • Streurate für Besetzung “bosonic final state stimulation”
Ausgangszustand: BEC eine Wellenfunktion ein Zustand Teilchen sind identisch
10µm
C.P. Dietrich, RSG et al, PRB 91, 041202(R) (2015). Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
74
Exziton-Polaritonen – Anwendungen parametrische Streuung Erzeugung verschränkter Photonen sichere Kommunikation, Quanten-Computing parametrische Streuung:
• bosonische Eigenschaft
ununterscheidbar
• Streurate in einen Zustand hängt von dessen Besetzung ab • Streurate für Besetzung “bosonic final state stimulation”
Ausgangszustand: BEC eine Wellenfunktion ein Zustand Teilchen sind identisch
Polarisations-Verschränkung: Drehimpuls-Erhaltung bei Streuung Polaritonen und damit emittierte Photonen haben feste Beziehung ihrer Drehimpulse/Polarisation Zustände sind überlagert, erst Messung legt die Zustände fest
heise.de Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
75
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
Einzelphotonen-Quellen für Quanten-Optische Bauelemente (Verschränkung, QuantenComputing, …)
“Standard” LED
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
76
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
Statistik des Lichtes klassisch (Laser)
(LED, Glühlampe)
Einzelphotonen-Quellen für Quanten-Optische Bauelemente (Verschränkung, QuantenComputing, …)
HU Berlin
g(2): zweite-Ordnung Photonen-Korrelationsfunktion
“Standard” LED
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
77
Wechselwirkung Photon – Elektron 3 Regime schwache Kopplung Photon-Kontinuum
schwache Kopplung Kavitäts-Photonen
starke Kopplung Kavitäts-Photonen
Statistik des Lichtes klassisch „Quanten-Licht“ (Laser)
(LED, Glühlampe)
Einzelphotonen-Quellen für Quanten-Optische Bauelemente (Verschränkung, QuantenComputing, …)
HU Berlin
g(2): zweite-Ordnung Photonen-Korrelationsfunktion
“Standard” LED
Resonant-Cavity-LED Laser
Polariton-LED / -Laser
Quanten-Optische Bauelemente Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
78
Einzelphotonen-Emitter Zwei-Niveau-System: Einzelphotonen-Emitter
HU Berlin
S. Buckley, Rep. Prog. Phys. 75, 126503 (2012)
Hanbury-Brown-Twiss Experiment
A. Shields, nature photonics 1, 215 (2007)
Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
79
Einzelphotonen-Emitter Zwei-Niveau-Systeme – Halbleiter-Quantenpunkte elektronischer Quantenpunkt (QD): Nanostruktur eingebettet in Fremdmaterial Ladungsträger werden räumlich confined neue Energie-Niveaus, atomartig lokalisierte Exzitonen – pro Quantenpunkt ein: Exziton, Bi-Exziton, größere Moleküle, Anregungen Übergänge mit sehr scharfen Spektrallinien
HU Berlin
Einzelphotonenquelle einzelner QD Kavitäten
Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
80
Einzelphotonen-Emitter Zwei-Niveau-Systeme – Halbleiter-Quantenpunkte in Mikro-Kavitäten Einzelphotonenquelle einzelner QD Kavitäten
A. Shields, nature photonics 1, 215 (2007) Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
81
Einzelphotonen-Emitter
Einzelphotonenquelle einzelner QD Kavitäten
P. Lodahl et al., Rev. Mod. Phys. 87, 347 (2015) Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
82
Nano-Photonics – Optische Schaltkreise
G.-C. Shan et al., Front. Phys. (2013) DOI 10.1007/s11467-013-0360-6 P. Lodahl et al., Rev. Mod. Phys. 87, 347 (2015) Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
83
Halbleiter-Photonik im täglichen Leben
elektronisches System
Wechselwirkung
photonisches System
Licht-Emission LED Beleuchtung – Energieeinsparung
Laser Polariton-Systeme
Anzeigeelemente Unterhaltungs- und Kommunikationstechnik
Einzelphotonen-Quellen „Quanten-Licht“
Telekomunikation Informationsverarbeitung, optischer Datentransport Quanten-Computing, optische Datenverschlüsselung (Quantenkryptographie)
Grundlagenphysik Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
84
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Referenzen: M. Grundmann: “The Physics Of Semiconductors - An Introduction Including Devices and Nanophysics” SpringerVerlag, Berlin, Heidelberg, 2006 R. Gross und A. Marx: “Festkörperphysik”, Walther-Meissner-Institut, Garching 2004 J. P. Reithmaier, “Halbleiterlaser: Grundlagen und aktuelle Forschung”, Universität Würzburg, 2004 E. F. Schubert: www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light-Emitting-Diodes-dot-org/ http://polariton.exphysik.uni-leipzig.de http://research.uni-leipzig.de/hlp/ Semiconductor Physics Group
Rüdiger Schmidt-Grund
“Halbleiter-Photonik”
Ellipsometry and Polariton Physics Group
