Photon echo from trions in semiconductor quantum wells and quantum dots

Abstract

The present work is dedicated to the study of the ultrafast coherent dynamics of the excitonic complexes localized in semiconductor nanostructures. We consider the optical control of the optical and spin coherence of the negatively charged excitons using the photon echo technique. In the first two chapters, we overview the basic knowledge of the research area and the experimental techniques. In the third chapter, we considered the freezing of the dephasing in the inhomogeneously broadened ensembles of InGaAs quantum dots driven by the application of a resonant control pulse with an area of multiple of 2p. The freezing of dephasing allows us to vary the timing of the photon echo by up to 5 ps, which even slightly exceeds the echo duration. In the fourth chapter, we consider the resident electron dynamics in the CdTe quantum well. Long-lived three-pulse photon echoes in combination with the pump-probe Kerr rotation allowed us to analyze comprehensively the resident electron dynamics since they are differently impacted by the hopping of the resident electrons between the different localization sites. From the data, we evaluate the hopping rate all-optically. In the fifth chapter, we demonstrate the long-lived three-pulse photon echoes from the ensembles of the InGaAs quantum dots. It allowed us to extend the coherent optical response by at least an order of magnitude. We show that the transverse g-factor of the heavy hole in the trion state strongly impacts the temporal evolution of the system, and therefore modifies the long-lived three-pulse photon echo signal.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung der ultraschnellen Dynamik exzitonischer Komplexe, die in Halbleiter-Nanostrukturen lokalisiert sind. Wir betrachten die optische Kontrolle der optischen und Spinkohärenz der negativ geladenen Exzitonen unter Verwendung der Photonenechotechnik. In den ersten beiden Kapiteln geben wir einen Überblick über das Grundwissen zum Forschungsgebiet und den Versuchstechniken. Im dritten Kapitel betrachteten wir das Einfrieren der Dephasierung in den inhomogen verbreiterten Ensembles von InGaAs-Quantenpunkten, angetrieben durch das Anlegen eines resonanten Steuerpulses mit einer Fläche von einem Vielfachen von 2p. Durch das Einfrieren können wir das zeitliche Maximum des Photonenechos um bis zu 5 ps variieren, was die Echodauer sogar geringfügig überschreitet. Im vierten Kapitel betrachten wir die Dynamik von residenten Elektronen im CdTe-Quantentopf. Langlebige Dreipuls-Photonenechos in Kombination mit der Pump-Probe-Kerr-Rotation ermöglichten uns eine umfassende Analyse der Dynamik von residenten Elektronen, da sie durch das Springen der residenten Elektronen zwischen den verschiedenen Lokalisationsorten unterschiedlich beeinflusst wird. Aus den Daten werten wir optisch die Hopping-Rate aus. Im fünften Kapitel demonstrieren wir die langlebigen Dreipuls-Photonenechos von InGaAs-Quantenpunkt Ensemblen. Es erlaubte uns, die kohärente optische Antwort um mindestens eine Grössenordnung zeitlich zu erweitern. Wir zeigen, dass der transversale g-Faktor des schweren Lochs im Trion-Zustand die zeitliche Entwicklung des Systems stark beeinflusst und daher das langlebige Dreipuls-Photonenechosignal modifiziert.