German Title: Resonante Fluoreszenz und Elektronenspin in Halbleiter Quantenpunkten

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Abstract

The work presented in this dissertation contains the first observation of spin-resolved resonance fluorescence from a single quantum dot and its application of direct measurement of electron spin dynamics. The Mollow triplet and the Mollow quintuplet, which are the hallmarks of resonance fluorescence, are presented as the non-spin-resolved and spin-resolved resonance fluorescence spectrum, respectively. The negligible laser background contribution, the near pure radiative broadened spectrum and the anti-bunching photon statistics imply the sideband photons are background-free and near transform-limited single photons. This demonstration is a promising step towards the heralded single photon generation and electron spin readout. Instead of resolving spectrum, an alternative spin-readout scheme by counting resonance fluorescence photons under moderate laser power is demonstrated. The measurements of n-shot time-resolved resonance fluorescence readout are carried out to reveal electron spin dynamics of the measurement induced back action and the spin relaxation. Hyperfine interaction and heavy- light hole mixing are identified as the relevant mechanisms for the back action and phonon-assistant spin-orbit interaction dominates the spin relaxation. After a detailed discussion on charge-spin configurations in coupled quantum dots system, the single-shot readout on electron spin are proposed.

Translation of abstract (German)

In dieser Dissertation wird die erste Beobachtung von spinabhaengiger resonanter Fluoreszenz eines einzelnen Quantenpunktes vorgestellt, sowie ihre Anwendung fuer die Bestimmung der Dynamik von Elektronenspins aufgezeigt. Das Mollow-Triplett und das Mollow-Quintuplett, Kennzeichen resonanter Fluoreszenz, zeigen sich in dem nicht-spinaufgeloesten, respektive spinaufgeloesten resonanten Fluoreszenz-Spektrum. Ein vernachlaessigbarer Laserhintergrund, ein fast nur radiativ linienverbreitertes Spektrum sowie Photon Antibunching implizieren dass die Seitenband-Photonen hintergrundstrahlungsfreie und nahezu transformlimitierte einzelne Photonen sind. Dies ist ein vielversprechender Schritt in Rich- tung der Erzeugung einzelner Photonen und Bestimmung des Elektronenspins. Anstatt das Spektrum aufzuloesen, wird ein alternativer Weg gezeigt den Elektronenspin auszule- sen, welcher auf Photon Zaehlung der resonanten Fluoreszenz bei moderater Laserleistung beruht. Die Elektronenspindynamik wird mithilfe n-mal wiederholter zeitlich aufgeloester resonanter Fluo- reszenz gemessen, um die Rueckwirkung der Messaktion auf den Elektronenspin sowie die Elektro- nenspinrelaxation zu bestimmen. Hyperfeinwechselwirkung und ”Hole Mixing“ von leichten und schweren Loechern werden als die relevanten Mechanismen fuer die Rueckwirkung identifiziert, waehrend phononunterstuetzte Spin-Orbit Wechselwirkung die Spinrelaxation dominiert. Nach einer detailierten Diskussion von Spin-Ladungskonfigurationen in gekoppelten Quantenpunktsys- temen wird die Spinbestimmung in einer Einzelmessung vorgeschlagen.