A semiclassical approach to the spin dynamics in a singly charged semiconductor quantum dot

Abstract

The prospect of utilizing the highly localized electron spin of singly charged semiconductor quantum dots as building blocks for quantum information processing sparked interest in the behavior of the spins in such a system. In this thesis we focus on the theoretical modeling of pump-probe experiments which provide an experimental approach to investigate the spin dynamics. We derive a semiclassical description of the spin dynamics in the periodically pulsed quantum dot including not only the hyperfine interaction of the electron spin with the nuclear spins but also the probabilistic nature of the photon absorption. The periodic pulses lead to a focusing of the electron frequencies onto a few modes which goes hand in hand with a re-alignment of the nuclear spins. In an analytical approach we find two classes of resonance conditions for the coherent electron spin dynamics. We show that the non-equilibrium distribution of the nuclear spins is mirrored in the spin noise of the electron and therefore accessible in experiment via spin-noise spectroscopy. Another application of the spin-spectroscopy is the measurement of higher-order correlation functions. Those can reveal information about physical effects beyond the macroscopic linear effects. We exploit the fourthorder spin-noise spectrum to gain an understanding of the influence of the quadrupolar interaction on the spin dynamics in the presence of a strong external magnetic field.

Der Spin eines stark lokalisierten Elektrons in einem einfach geladenen Halbleiterquantenpunkt ist ein möglicher Kandidat für den Grundbaustein in der Quanteninformationsverarbeitung. Daher ist es von besonderem Interesse, die Dynamik des Spins in einem solchen System zu verstehen. Anrege-Abfrage Experimente sind eine Möglichkeit dieses Problem zu untersuchen. Wir wollen die theoretische Modellierung zu diesen Experimenten liefern. Dazu leiten wir eine semiklassische Beschreibung der Spindynamik in einem periodisch gepulsten Quantenpunkt her. Diese beinhaltet sowohl die Hyperfeinwechselwirkung zwischen Elektronen- und Kernspins als auch die probabilistische Natur der Photoabsorption. Unter dem Einfluss der periodische Pumppulse werden die Frequenzen der Elektronenspinpräzession auf einige wenige reduziert. Die Ursache dafür ist die Neuausrichtung der Kernspins untereinander. Wir leiten zwei Klassen von Resonanzbedingungen her, welche die Frequenzen der kohärenten Elektronenspinpräzession vorhersagen und auch die Nicht-Gleichgewichtsverteilung der Kernspins beeinflussen. Wir zeigen, dass diese Nicht-Gleichgewichtsverteilung im elektronischen Spinrauschen, messbar durch Spinrauschspektroskopie, wiedergefunden werden kann. Eine andere Anwendungsmöglichkeit für Spinrauschspektroskopie besteht in Messung von höheren Korrelationsfunktionen. Diese können dazu verwendet werden, um Physik, die über makroskopische, lineare Effekte hinaus geht, offen zu legen. Wir benutzen die Korrelationsfunktion vierter Ordnung, um den Einfluss der quadrupolaren Wechselwirkung auf die Spindnyamik in einem starken Magnetfeld zu verstehen.