从随机电报高斯随机噪声:脱散,在半导体量子点光谱扩散

文摘

我们提出的一般理论描述的外在零相位化机制主导的退相干动力学光谱扩散低温半导体量子点。我们讨论随机电报高斯随机噪声的限制,表明这两种方法的结合pre-Gaussian噪声理论的框架允许一个高分辨率的定量解释实验单一的半导体量子点。我们强调我们的模型的普遍性和多样性的包容不对称跳过程表现为一个重要扩展半导体量子点的理解物理。

1。介绍

退相干的基本限制在量子信息科学中,理解和控制其动力学表现为量子信息设备发展的一个至关重要的问题。各种系统正在调查凝聚态物理,因为他们的潜在的可积性和可伸缩性,如超导电路(1),边缘国家的分数量子霍尔效应(2),和半导体量子点(量子点)3]。在后一种情况下,在光谱学的发展使得量子点单量子信息方案的实现。单光子发射(4,光子聚结5),和量子门的实现(6)已经成功地证明效率的内在限制的退相干由于耦合QD的环境。在这次审查中,我们讨论了外在的零相位化光谱扩散机制主导QD低温脱散。我们提出一个理论模型pre-Gaussian噪声理论的框架中随机电报和高斯随机噪声的总和。我们说明我们的模型的普遍性与定量的解释不同的量子点光谱扩散在单签名。

2。理论

2.1。半导体量子点的光谱扩散

在较低的温度下,量子点的脱散主要取决于光谱扩散的现象。事实上,量子点光致发光实验单显示的外在影响固体矩阵生成脉动电场和转变QD行通过量子局限斯塔克效应。这种所谓的光谱扩散现象解释为是由于航空公司随机困在缺陷、杂质的QD附近(7- - - - - -9]。考虑到时间分辨率由探测器积分时间,分析了发射光谱可以通过考虑两个不同的类随机事件。第一个是有关罕见和strongly-shifting过程导致突然的跳跃QD发射能量,也就是说,光谱光致发光光谱的氧化的不连续性。量子点的胶体或纳米晶体,这些事件也可能抑制排放和相应的闪烁效应(7)是一种严重的限制实现高效单QD-devices基于这种类型的纳米结构。第二种类型的事件相关的频繁和weakly-shifting过程铅、探测器集成的时间内,一行的宽度大于辐射限制和所确定的统计分布的小能量的转变。然而,这些不同的现象学通常分别在理论描述和部分解决了胶体量子点和外延。我们提出本文的一般模型,达到一个完整的全面的描述在量子点半导体光谱扩散,定量解释提供了一个灵活的框架的实验数据在量子点半导体。特别是,我们强调,我们考虑一个特定的理论模型和原始点,即动态光谱的不对称跳过程不是先前的理论工作中讨论10)在半导体纳米结构的物理的根本力量11]。

我们的模型是基于马尔可夫链组成的任意数量的独立随机电报。随机电报是两国跳过程,对应于一个离散谱的转变光的线。从上面的(低)状态过渡到较低(上)一个发生的概率(在时间间隔)并诱发光谱跳,勾勒出图1。在量子点的光谱扩散,上层(低)状态对应于一个空(占用)缺陷,()一个载波的捕获(逃避)时间的缺陷,和QD的明显转变线由于电场产生的电荷载体的缺陷位于QD附近。

的存在随机电报,调制频率QD的读取 在哪里的时间平均是QD频率和吗其波动的一部分

在哪里表示频率波动造成的一个随机电报。

根据Wiener-Khintchine定理,光谱是由自相关函数的傅里叶变换电场这所谓的弛豫函数成正比 在哪里读(12] (表示在不同的配置),这样平均光谱通过松弛函数的傅里叶变换得到:

通过使用(2.2)和假设的uncorrelation不同随机电报(10),总放松的功能是重写为

在哪里表示特别放松的功能th单一的电报,这是由

2.2。随机电报噪声

强度频谱在频率波动由于马尔可夫链的过程是由Kubo说在他的论文lineshape的随机理论的一般决议Chapman-Kolmogorov方程提出了(12]。的随机理论lineshape进一步完成Wodkiewicz和同事pre-Gaussian噪声理论(10]。他们之间的联系随机电报和高斯随机过程通过计算松弛函数对于一个给定的数量相同的,不相关的随机电报,然后扩大治疗的极限 。然而,这个模型是有限的情况下对称跳过程(;参见图1)。

在更一般的前景理论,半导体纳米结构的具体物理,我们扩展前模型不对称的情况下两跳过程和派生的弛豫函数的表达式当。Kubo说理论的指导方针后,我们发现广义松弛函数的解析表达式:

与

在相关时间是由,发射光谱特征强度不对称性,,是由与条件。在简单的情况下对称跳过程(),一个很容易恢复在给出的表达式10]。

如果,系统是所谓的缓慢调制极限。让我们先检查简单情况对应于对称跳过程,简化的 通过傅里叶变换(2.10),得到光谱对称偶极结构,用两条线分割和半宽度(图2(一个))。换句话说,当,光谱反映了对应于图的统计分布1,谱线增宽的波动率。不对称跳过程的光谱表现出一种不对称的紧身上衣的整体强度的比值是由两个单独的行(图2 (d))。

相反,在快速调制限制或动态缩小制度(),减少积累阶段诱发光谱聚结的两行和紧身上衣结构消失12]。在简单的情况下对称跳过程(),放松的功能现在读 在傅里叶域中对应到一个洛伦兹与给出的半宽度。我们可以看到数据2(一个),2 (b),2 (c),当减少从5(慢调制)到0.2(快速调制),光谱转换从一个分裂的紧身上衣一个洛伦兹与宽度的产品*因此,这意味着相关时间越短,越窄而分裂。为,不对称的紧身上衣的合并导致一个洛伦兹光谱失谐(图线2 (f))向更强烈的能量线(图2 (d))。

2.3。高斯随机噪声

我们现在切换到更现实的情况进行大量随机电报有助于QD的光谱扩散。为独立的两跳过程中,松弛函数相同读取,当,Wodkiewicz等。表明,放松的功能收敛于一个获得高斯噪声(10]:

这是中心极限定理的结果在光谱噪音。的参数在(2.12)的标准差QD频率,和简单的对称跳过程(),是由(10]。

为了完成我们的泛化的光谱扩散理论和地址与非对称高斯随机过程的情况下跳事件,我们有派生的一般表达式当,我们发现频率调制振幅(11]:

达到最大值当消失在强烈的不对称的极限跳跃过程(或),如图3。

如果缓慢的调制的系统限制,在类比单一随机电报上面描述现象学。放松动力学是由高斯函数近似的函数

在傅里叶域中,光谱高斯配置文件,反映了光谱噪声的高斯分布规律。半宽度完全取决于调制振幅和频率是由。

在快速调制极限,松弛函数动态现在强烈修改和对应于一个指数衰减: 这是高斯随机过程的模拟动态缩小上述效应的随机电报。的傅里叶变换(2.15)是一个洛伦兹线的宽度,相关时间越短窄的光谱。

我们现在将显示,高斯随机过程的常见配置显示一个富裕和原始现象学的不对称跳过程。特别是,我们分析的交叉调制限制快速调制一个缓慢和表明,过渡到动态缩小可能是完全不同的两种情况和。

对于对称跳过程中,频率调制振幅与给出的值是恒定的。事实上,从过渡来意味着减少,因此减少自。换句话说,减少,洛伦兹从高斯谱线轮廓的变化,线宽减少来。这种情况下对应的标准现象学运动的缩小,原本在核磁共振实验观察减少作为温度的函数,因为原子核运动的激活12]。

然而,对于不对称跳过程,情况是完全不同的,因为调频不再是常数和强烈依赖于比率/((2.13)和图3)。让我们以强烈的不对称的情况为了清晰的假设此外常数(我们将在下面显示一个例子现象学在量子点的具体情况)。在这种情况下,我们看到相关时间已经一个恒定值而变化,这是相反的情况为对称跳过程如上图所示。因此,当减少,我们得到快的慢的反向转换调制极限。这个非对称跳过程的特点是一个量子点的基本创意物理与核磁共振相比,它解释了为什么动态缩小出现在非常不同的情况如下所示。

我们说明我们的模型的普遍性和通用性的几个例子基于实验数据记录通过高分辨率傅里叶变换光谱学在量子点单。

3所示。实验

我们测量在自组装量子点在/砷化镓分子束外延生长的Stranski-Krastanow模式,和micro-photoluminescence测量下nonresonant激发执行在远场使用中所描述的实验装置(13]。为了准确地描述QD发射光谱、光致发光信号起源于一个QD通过傅里叶变换光谱分析。我们的技术允许一个高分辨率采样的傅里叶变换光谱通常成千上万的问题。这个值是由两个数量级大于发光像素的平均数量在一个电荷耦合器件的多通道检测在光谱域。的傅里叶变换技术实现检测的一部分设置在光致发光信号通过迈克尔逊干涉仪放在前面光栅光谱仪(13]。信号由低噪声Si-based光子计数检测模块。与翻译阶段,我们改变时间在干涉仪的一个臂传播和记录光致发光排放的干涉图 ,在那里平均光致发光信号强度,中央检测频率,和对应的模量的干扰之下的傅里叶变换光谱,也就是说,与上面的符号。这个技术在单一QD光谱学的实现允许精确测定发射谱线的宽度和形状为了准确研究光谱扩散现象和相关QD脱散。

3.1。奇异随机电报

我们第一次呈现随机电报噪声的实验证据的不对称跳过程与直流电压调谐。这种效应的发射光谱中观察到一个单一的QD嵌入在一个场效应异质结构明显的跳动的傅里叶变换测量。殴打能见度变化作为栅电压的函数应用到设备,从而展示紧身上衣不对称的控制与内部电场。

示例包括一个QD描绘在图嵌入场效应的结构4。量子点的InGaAs相距25 nm砷化镓层从一个高度n型砷化镓衬底。量子点的由15海里的砷化镓封顶,其次是75海里AlGaAs阻塞障碍和最后60纳米的砷化镓。增长后,10 nm厚的半透明的Ti肖特基接触(右边的图4)是在顶部表面沉积。为了研究量子点单,我们使用200纳米厚的非盟面具,直径400纳米孔径打开平版印刷。

在图5,我们显示干涉图对比在半对数的情节中性激子在10 K线,三个门电压(一),(b)V (c)。我们观察一个强有力的跳动,对比接近统一的V(图5 (b))。这意味着光致发光光谱由,在这种情况下,在相同的紧身上衣。跳动的时期,我们估计一个能源分裂44岁的顺序电动汽车。通过改变线性极化的分析,没有修改的数据,因此排除任何影响相关的精细结构分裂中性激子线(14]。跳动的依赖栅电压对比,数据5(一个)和5 (c),是一个标志性的电气控制的不对称跳过程的随机电报。

在pre-Gaussian噪声理论的框架,我们的产品 完全放松的功能,在那里和分别是由(2.8)和(2.12)。这个选择意味着我们分离独立的两跳过程到大量()类似的诱导一个高斯噪声和奇异。后者负责强烈扰动导致殴打和双重结构,为每个组件的扩大和前。在图5,我们在实线显示计算对比。我们观察到一个很好的协议从而表明,我们的模型定量地再现了整个发射光谱(形状和宽度)。我们符合我们的完整的数据作为电压和温度的函数(10 K, 20 K, 30 K这里没有显示)通过 电动汽车,电动汽车,ps的高斯噪声,ps的奇异随机电报,只有不同的逃跑时间值显示在图5 (d)奇异随机电报。

在图5 (d),我们观察一个系统减少的逃跑时间反向偏压,作为磁场诱导隧道的预期。在类比的thermo-ionization深中心(15),我们采取phonon-assisted隧道率正比于传输通过三角屏障由于静电场(15]。我们复制数据通过在哪里的传播障碍吗与电场强度沿生长方向,有效质量,有效的电离能。我们符合我们的数据兆电子伏的电子()或兆电子伏孔(),ps。大的值表明,光谱扩散器深缺陷,在最近的协议与实验证据深层共存的瞬态光谱深水平与旋光量子点在16]。

在上面的示例中,跳过程通过dc-gate量身定做不对称电压控制的波动动力学奇异随机电报。下面我们讨论跳过程不对称的另一个例子是修改实验参数,通过改变其他外部但在高斯随机噪声的情况下。

3.2。交叉的快,慢调制极限

我们现在的实验证据快的慢的交叉调制限制在高斯随机噪声的情况下。我们观察洛伦兹谱线轮廓之间的平稳过渡,在增加一个高斯入射功率或温度在一个简单的QD异质结构。我们解释存在的动态缩小低入射功率或低温的惊人表现的不对称在量子点半导体过程跳。

样品结构比在前面的简单情况,它由一个QD层嵌入在砷化镓这样就没有电场应用于QD样本。在图6我们显示测量(广场)干扰的对比单一的发射光谱在/砷化镓量子点在10 K,在半对数的情节,对三个不同的事件的权力:0.18 (a), 0.72 (b)和2.88千瓦·厘米(c)。我们第一次观察到相干弛豫动力学增加入射功率时变得更快。此外,我们注意到一个渐进的形状的修改。在低功率(图6(一)),干扰对比衰变是准指数的时间常数29 ps,因此对应于一个quasi-Lorentzian概要文件的半宽度45电动汽车。在更高权力(图6 (b)),有一个高斯衰减在短时间(ps),仍在长时间指数。线有一个中间,这里的半宽度是105电动汽车。在最高的入射功率(图6 (c)),干扰对比主要是高斯衰减,因此对应于一个quasi-Gaussian侧面,半宽度为155电动汽车。

一个定量解释我们的测量是通过比较实验数据的卷积(2.12)与系统响应函数(图中虚线6),得到了白光照明下。计算符合实线在图中显示6。我们得到一个很好的协议与增加的值0.6 (a), 1.05 (b),在(c)和1.35,相关时间有一个恒定值10 ps。图吗6 (d),我们显示的一整套价值作为激发密度的函数,在半对数的规模。这个参数特征发射光谱的形状,和指数的交叉高斯发生退相干动力学。它逐渐增加了从快速调制限制过渡到缓慢的调制当增加入射功率。事实上,它表明动态缩小发生低励磁。我们面对的是提取的值与理论计算值(2.13),我们观察到一个公平的协议的一组参数 电动汽车,ps和1 /(1 /),在那里ns和在单位的1千瓦·厘米(11]。

的强大依赖性之间的不对称和源于不同的微观过程的存在的各种半导体物理学的效率。10 ps的常数值符合一个光频声子辅助捕获在量子点周围的陷阱11]。另一方面,运营商逃脱的逆过程,光频声子吸收强烈抑制在较低的温度下,所以它不显著贡献的价值。事实上,逃跑率依赖于入射功率是一个Auger-type过程的特征。弹性碰撞的两个航空公司,一个是逐出陷阱而非定域化的载体放松在能源、逃跑率成正比的密度非定域化的载体,随着入射功率(11]。

如上所述,不对称的捕获和逃避机制实际上是动态缩小惊人的根本原因时,减少入射功率或温度。如果两个过程有相同的效率(),我们会和这意味着光谱调制振幅不取决于时间常数。因此,比率只能增加水库励磁时减少。这种情况下对应于著名的现象学从核磁共振的激活核运动诱发动态缩小的效果。在目前的情况下,我们是相反的政权在相关时间与相对变异小于仅仅是常数,而光谱调制振幅显示急剧增加()。这一比率因此增加当增加水库激发。取得了类似的结果通过与温度有关的测量,从洛伦兹过渡到高斯line-profiles发生在增加温度,从而再次证明动态缩小的非常规现象在量子点11]。

4所示。结论

在本文中,我们提出了一个外在的零相位化机制的一般理论描述光谱扩散主导QD低温脱散。我们已经讨论了随机电报高斯随机噪声的限制,表明这两种方法的结合pre-Gaussian噪声理论的框架允许一个高分辨率的定量解释实验单量子点半导体。我们强调我们的模型的普遍性和多样性的包容不对称跳过程表现为一个重要扩展的理解半导体QD物理、量子信息设备和希望,更普遍的是,基于固态纳米结构。

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