In dieser Arbeit wurde die Spindynamik der Löcher in p-dotierten GaAs/AlGaAs- Quantentrögen (QT) bei tiefen Temperaturen untersucht. Zur Bestimmung der energetischen Struktur der Proben wurde PL- und PLE-Spektroskopie genutzt. Zur Untersuchung der Spindynamik kam zeitaufgelöste Kerr- und Faraday-Rotation (TRKR/FR) bzw. ‚Resonant Spin Amplification' (RSA) zum Einsatz. In einem ersten Teil der Arbeit wurde die Signalentstehung bei TRKR/FR- und RSA-Experimenten anhand der zugrundeliegenden Ladungsträger- und Spindynamik diskutiert, um zu einer sicheren Deutung der beobachteten Phänomene zu gelangen. Es wurde ein von der Anregungsenergie abhängiger Vorzeichenwechsel der Kerr-Signalamplitude beobachtet, der Umschlagspunkt korrespondierte dabei mit dem Absorptionsmaximum in PLE. Dieses Verhalten konnte durch eine besetzungsabhängige Aufspaltung der Spinniveaus erklärt werden, welche eine Energieabhängigkeit des Faraday- bzw. Kerr-Signals verursachen. Des Weiteren wurden zwei Initialisierungsprozesse untersucht, die für eine Übertragung der optisch erzeugten Spininformation ins residente Lochspinsystem genutzt werden konnten. Dies gelang wahlweise durch ein angelegtes Magnetfeld oder durch schnelle Dephasierung der Lochspins unmittelbar nach der Anregung. Mit variierter Anregungsdichte, Anregungsenergie oder Temperatur konnte so über schnelle Dephasierungsprozesse das anfängliche Verhältnis von Elektronen- und Lochspins beeinflusst werden. Die komplexe, voneinander abhängige Elektronen- und Lochspindynamik konnte mit Hilfe eines Ratengleichungsmodells rechnerisch exakt nachvollzogen werden. Dies erlaubte die Extraktion physikalisch relevanter Parameter wie Lebensdauern und g-Faktoren aus RSA und TRKR/FR-Daten. Ein analytisches Modell, das an der Universität Breslau entworfen wurde, erbrachte übereinstimmende Ergebnisse. Im zweiten experimentellen Teil wurde die Abhängigkeit der Lochspinlebensdauer und des g-Faktors von verschiedenen Parametern untersucht. In dieser Arbeit konnte die RSA-Methode erstmals auf zweidimensionale Lochsysteme übertragen werden, was völlig neue Zugänge zur Dynamik im Bereich langer Lebensdauern eröffnet. Im schmalsten QT mit 4 nm Breite zeigten sich bei tiefen Temperaturen Lebensdauern um 100 ns, da der Lochspin dort durch die große HH-LH-Aufspaltung gegen Dephasierung über Spin-Flip-Streuung ins LH-Band geschützt wird. Dies entspricht einer Steigerung um zwei Größenordnungen im Vergleich zu den bisher beobachteten Lebensdauern. Die tiefen Temperaturen sind dabei notwendig, da so Lokalisierung an QT-Breitenfluktuationen die k-abhängigen Dephasierungsmechanismen unterdrückt. Temperaturabhängige Messungen ergaben eine Aktivierungsenergie von 1,4 meV im 4 nm QT in guter Übereinstimmung mit theoretischen Überlegungen. Erhöhte Dephasierungsraten bei Variation der Anregungsdichte- oder Energie konnten durch eine erhöhte effektive Temperatur im Lochsystem erklärt werden. Mit Hilfe der hier etablierten RSA-Methode konnte der Loch-g-Faktor abhängig von verschiedenen Parametern exakt bestimmt werden. Für die in-plane Komponente der [001]-gewachsenen Proben ergab sich dabei im Rahmen der Messgenauigkeit keine Abhängigkeit von der QT-Breite oder in-plane-Magnetfeldrichtung. Die Temperatur hatte dagegen deutlichen Einfluss auf den g-Faktor. Der größere out-of-plane Loch-g-Faktor konnte aus Serien mit gegen die Probenebene verkipptem Magnetfeld exakt bestimmt werden. Durch ein elektrostatisches Gate konnte schließlich in einem 4 nm breiten QT der in-plane Loch-g-Faktor um einen Faktor von nahezu Zwei manipuliert und die g-Faktor-Inhomogenität um eine Größenordnung verringert werden. Dadurch ergaben sich deutlich verlängerte Lochspinlebensdauern im Magnetfeld aufgrund der unterdrückten Ensembledephasierung.
In dieser Arbeit wurde die Spindynamik der Löcher in p-dotierten GaAs/AlGaAs- Quantentrögen (QT) bei tiefen Temperaturen untersucht. Zur Bestimmung der energetischen Struktur der Proben wurde PL- und PLE-Spektroskopie genutzt. Zur Untersuchung der Spindynamik kam zeitaufgelöste Kerr- und Faraday-Rotation (TRKR/FR) bzw. ‚Resonant Spin Amplification' (RSA) zum Einsatz. In einem ersten Teil der Arbeit wurde die Signalentstehung bei TRKR/FR- und RSA-Experimenten anhand der zugrundeliegenden Ladungsträger- und Spindynamik diskutiert, um zu einer sicheren Deutung der beobachteten Phänomene zu gelangen. Es wurde ein von der Anregungsenergie abhängiger Vorzeichenwechsel der Kerr-Signalamplitude beobachtet, der Umschlagspunkt korrespondierte dabei mit dem Absorptionsmaximum in PLE. Dieses Verhalten konnte durch eine besetzungsabhängige Aufspaltung der Spinniveaus erklärt werden, welche eine Energieabhängigkeit des Faraday- bzw. Kerr-Signals verursachen. Des Weiteren wurden zwei Initialisierungsprozesse untersucht, die für eine Übertragung der optisch erzeugten Spininformation ins residente Lochspinsystem genutzt werden konnten. Dies gelang wahlweise durch ein angelegtes Magnetfeld oder durch schnelle Dephasierung der Lochspins unmittelbar nach der Anregung. Mit variierter Anregungsdichte, Anregungsenergie oder Temperatur konnte so über schnelle Dephasierungsprozesse das anfängliche Verhältnis von Elektronen- und Lochspins beeinflusst werden. Die komplexe, voneinander abhängige Elektronen- und Lochspindynamik konnte mit Hilfe eines Ratengleichungsmodells rechnerisch exakt nachvollzogen werden. Dies erlaubte die Extraktion physikalisch relevanter Parameter wie Lebensdauern und g-Faktoren aus RSA und TRKR/FR-Daten. Ein analytisches Modell, das an der Universität Breslau entworfen wurde, erbrachte übereinstimmende Ergebnisse. Im zweiten experimentellen Teil wurde die Abhängigkeit der Lochspinlebensdauer und des g-Faktors von verschiedenen Parametern untersucht. In dieser Arbeit konnte die RSA-Methode erstmals auf zweidimensionale Lochsysteme übertragen werden, was völlig neue Zugänge zur Dynamik im Bereich langer Lebensdauern eröffnet. Im schmalsten QT mit 4 nm Breite zeigten sich bei tiefen Temperaturen Lebensdauern um 100 ns, da der Lochspin dort durch die große HH-LH-Aufspaltung gegen Dephasierung über Spin-Flip-Streuung ins LH-Band geschützt wird. Dies entspricht einer Steigerung um zwei Größenordnungen im Vergleich zu den bisher beobachteten Lebensdauern. Die tiefen Temperaturen sind dabei notwendig, da so Lokalisierung an QT-Breitenfluktuationen die k-abhängigen Dephasierungsmechanismen unterdrückt. Temperaturabhängige Messungen ergaben eine Aktivierungsenergie von 1,4 meV im 4 nm QT in guter Übereinstimmung mit theoretischen Überlegungen. Erhöhte Dephasierungsraten bei Variation der Anregungsdichte- oder Energie konnten durch eine erhöhte effektive Temperatur im Lochsystem erklärt werden. Mit Hilfe der hier etablierten RSA-Methode konnte der Loch-g-Faktor abhängig von verschiedenen Parametern exakt bestimmt werden. Für die in-plane Komponente der [001]-gewachsenen Proben ergab sich dabei im Rahmen der Messgenauigkeit keine Abhängigkeit von der QT-Breite oder in-plane-Magnetfeldrichtung. Die Temperatur hatte dagegen deutlichen Einfluss auf den g-Faktor. Der größere out-of-plane Loch-g-Faktor konnte aus Serien mit gegen die Probenebene verkipptem Magnetfeld exakt bestimmt werden. Durch ein elektrostatisches Gate konnte schließlich in einem 4 nm breiten QT der in-plane Loch-g-Faktor um einen Faktor von nahezu Zwei manipuliert und die g-Faktor-Inhomogenität um eine Größenordnung verringert werden. Dadurch ergaben sich deutlich verlängerte Lochspinlebensdauern im Magnetfeld aufgrund der unterdrückten Ensembledephasierung.
Die Magnetische Kernspinresonanz (NMR) ist eine etablierte und vielseitige spektroskopische Methode. Sie nutzt Kernspins als Sonden, um Informationen über die Struktur und Dynamik ihrer Umgebung und die durch diese verursachten Felder und Wechselwirkungen zu erlangen. Die Anwendbarkeit der konventionellen NMR ist jedoch wegen der geringen Empfindlichkeit auf Proben mit mindestens etwa 1018 Spins beschränkt. In vielen Systemen koppeln die Kernspins an die elektronischen Freiheitsgrade, und es bietet sich somit die Möglichkeit, einerseits durch Licht-Einstrahlung die Polarisation zu erhöhen, und andererseits die NMR optisch nachzuweisen. Die dadurch erreichte höhere Sensitivität ermöglicht in dieser Arbeit Messungen an etwa 109 Spins und im Extremfall den Nachweis von NMR an einzelnen Molekülen. Mit der optischen Anregung bzw. dem optischen Nachweis ergibt sich eine zusätzliche Selektivität: durch Fokussierung des Lasers eine räumliche und eine spektrale durch die Wahl der Wellenlänge. Weitere Vorteile sind die meist höhere Durchführungsgeschwindigkeit und die Möglichkeit, elektronisch angeregte Zustände zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich vor allem auf die Untersuchung und Erweiterung der kohärenten Ramanstreuung (CRS) zum optischen Heterodyn-Nachweis von NMR. Die meisten vorgestellten Experimente wurden an einem mit Praseodym dotierten Yttrium Aluminium Perovskit (YAlO 3)-Kristall durchgeführt. Diese Probe ist gut untersucht und eignet sich daher als Modellsystem für neue bzw. weiterentwickelte Experimente. Sie wird im ersten Teil des Grundlagenkapitels beschrieben. Der zweite Teil widmet sich den in den verschiedenen Versuchsaufbauten häufig verwendeten Komponenten. Für einige Experimente wurde der verwendete Farbstofflaser weiter aktiv frequenzstabilisiert. Die im zweiten Kapitel beschriebenen Lochbrennexperimente erhalten dadurch eine deutlich erhöhte Auflösung, durch die alle Löcher und Antilöcher getrennt gemessen werden können. Die Anpassung an ein einfaches Modell ermöglicht die Bestimmung des relativen Winkels zwischen den Quadrupol-Hauptachsen des elektronischen Grund- und angeregten Zustands. Durch die zeitabhängige Aufnahme der Loch- und Antilochtiefen können die longitudinalen Relaxationsraten im Grundzustand ermittelt werden, ohne wie bisher einzelne Übergänge mit einer leistungsstarken Radiofrequenz sättigen zu müssen. Kapitel 3 befaßt sich mit der kohärenten Ramanstreuung. Die theoretische Beschreibung leitet die wichtigsten Abhängigkeiten des Signals her und berücksichtigt einen bisher vernachlässigten Beitrag, der bei den gepulsten Experimenten zum Teil deutliche Anteile am Signal zu haben scheint. Besondere Beachtung finden auch die Signalbeiträge der in den inhomogen verbreiterten Übergängen verteilten Ionen. Das Kapitel beschreibt weiterhin eine neue Nachweismethode für die kohärente Ramanstreuung, die Super-Heterodyn-Detektion, mit der nicht nur die Amplituden, sondern auch die Frequenzmodulation des Ramansignals gemessen werden kann und damit die Stokes- und anti-Stokes-Anteile getrennt ermittelt werden können. Die beobachtete Symmetrie zwischen Stokes- und anti-Stokes-gestreutem Ramanlicht kann mit einem zusätzlichen frequenzverschobenen Pumplaserstrahl gebrochen werden, indem einer der beiden Anteile gezielt invertiert bzw. verstärkt wird. Eine mögliche Erweiterung der Anwendbarkeit der kohärenten Ramanstreuung auf Systeme, in denen nicht alle am herkömmlichen Raman-Experiment beteiligten Übergänge erlaubt sind, wird in Kapitel 4 beschrieben. Durch Hinzunahme eines vierten Zustands und Anregung mittels einer zweiten Radiofrequenz wird die Kohärenz in einen weiteren erlaubten Übergang transferiert. Eine experimentelle Möglichkeit des Nachweises wird vorgestellt. Zwecks Maximierung der in der theoretischen Beschreibung dieses Experiments abgeschätzten kleinen Signalgröße, wird das herkömmliche Ramansignal im Grund- und angeregten Zustand in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern untersucht, um die für das sogenannte Doppel-RF-Experiment optimalen Parameter zu bestimmen. Das letzte Kapitel beschreibt Raman-Heterodyn-Experimente mit gepulster Radiofrequenzanregung. Hier wird der Einfluß der erhöhten Frequenzstabilität des Lasers deutlich. Durch sie wird die Messung von Spin-Echos im elektronisch angeregten Zustand erst ermöglicht, und es ergibt sich im Vergleich zu bisherigen Messungen und Literaturwerten eine dreimal so lange transversale Relaxationszeit T2 im Grundzustand. Im zweiten Teil des Kapitels werden die Versuche beschrieben, die durchgeführt wurden, um das Doppel-RF-Signal mit gepulster Anregung nachzuweisen.
Der auf der quantenmechanischen Interferenz von Absorptionsamplituden beruhende Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) gestattet die Transmission von Licht durch sonst für resonante optische Felder undurchlässige atomare Medien. Mit diesem Phänomen geht eine drastische Reduktion der Gruppengeschwindigkeit einher, welche mehrere Größenordnungen geringer sein kann als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Mit der langsamen Ausbreitung des Lichtfeldes werden Quasiteilchen, die sogenannten Dunkelzustandspolaritonen, assoziiert, welche eine Überlagerung atomarer Spinwellenanteile und photonischer Komponenten darstellen. In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften dieser Quasiteilchen in kohärent präparierten Medien unter dem Einfluß der Lichtspeicherung, einer Technik zur reversiblen Übertragung optischer Information in den kollektiven kohärenten Zustand eines atomaren Ensembles, untersucht. Es wird gezeigt, dass bei der Speicherung von Licht in Dreiniveausystemen mit zwei stabilen Grundzuständen, den sogenannten Lambda-Systemen, eine starke Verschiebung der optischen Trägerfrequenz in Richtung der Zweiphotonenresonanz auftritt, sobald die atomare Kohärenz in Photonen der neu erzeugten Signalfeldmode rücktransformiert wird. Es wird erwartet, dass dieser Effekt für beliebige Werte der Zweiphotonenverstimmung des eingestrahlten Signalfeldes innerhalb des Transparenzfensters einer Dunkelresonanz und für beliebige Ausrichtungen der Signalfelder bezüglich des Kontrollstrahls gültig ist. Für den im Experiment untersuchten Spezialfall kopropagierender optischer Felder wurde im Rahmen der Fehlergrenzen die erwartete Anpassung an die atomare Übergangsfrequenz zwischen den Grundzuständen beobachtet. Dieser nichtdissipative Effekt kann zur Vermessung der Energiedifferenz zwischen den Grundzuständen herangezogen werden, ohne dass eine genaue Kenntnis der optischen Frequenz des Signalfeldes erforderlich ist. Das demonstrierte Verfahren stellt einen neuartigen Ansatz für die Raman-Spektroskopie dar, welcher sich auch auf den Fall von Zweiphotonenübergängen in Systemen mit einer leiterartigen Kopplung übertragen lassen sollte. Das beschriebene spektroskopische Verfahren kann prinzipiell auch für nichtklassische Lichtzustände wie gequetschtes Licht und für einzelne Photonen angewendet werden. Da der Quantenzustand von der Prozedur nicht beeinträchtigt wird, könnten dadurch Möglichkeiten für Messungen atomarer Übergangsfrequenzen und von Magnetfeldern mit quantenlimitierter Genauigkeit eröffnet werden. Des Weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit die simultane Speicherung von zwei optischen Signalfeldmoden in einem aus Vierniveauatomen bestehenden Medium mit Dreibeinkopplung untersucht. Es wird gezeigt, dass die Speicherung von Dunkelzustandspolaritonen mit einer internen Zweiniveaustruktur, welche den entgegensetzt zueinander zirkular polarisierten optischen Signalfeldern zugeordnet werden, mittels Abbildung auf Spinwellenkohärenzen des atomaren Ensembles möglich ist. Der Nachweis, dass die optische Schwebungsfrequenz der Signalfelder nach der Speicherung durch die Übergangsfrequenz der Zeeman-Subniveaus des Grundzustands bestimmt wird, bestätigt den im Dreiniveausystem beobachteten Effekt der Frequenzanpassung. Die bei der Speicherung von Licht auftretende Frequenzanpassung ist auch im Hinblick auf Anwendungen im Zusammenhang mit der räumlichen Manipulation von Licht in Medien unter den Bedingungen der elektromagnetisch induzierten Transparenz von Interesse. In diesem Zusammenhang wurde experimentell die auf Phasenaufprägung zurückgeführte Ablenkung von Signalstrahlpulsen während der Speicherungsphase in Anwesenheit eines inhomogenen Magnetfeldes untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dispersion im Vergleich zur Stern-Gerlach-artigen Ablenkung in Experimenten mit kontinuierlich eingestrahlten Signalfeldern um mehrere Größenordnungen unterdrückt wird. Das durchgeführte Experiment lässt sich als grundsätzliche Demonstration eines nichtdispersiven optischen Elements interpretieren und stellt einen Ansatz zur Implementierung von optisch kontrollierten Linsen, Deflektoren oder adaptiven Optiken dar. Systeme mit einer sehr niedrigen Grundzustandsdekohärenz, die lange Speicherungsphasen ermöglichen, könnten sich außerdem für den Einsatz als magnetische Gradiometer eignen. Derart aufgebaute Vorrichtungen könnten in Zukunft ebenso von Speicherungstechniken für nichtklassische Lichtzustände profitieren wie Magnetometer oder Atomuhren auf Basis der Frequenzanpassung. Anwendungen im Bereich der Quantenspeicherung sind ebenfalls denkbar, wo die demonstrierte Methode möglicherweise zur Adressierung paralleler Kanäle dienen könnte. Eine Beschreibung aktuell durchgeführter, noch nicht abgeschlossener, Experimente, die auf den Nachweis des Aharonov-Casher-Effekts für langsames Licht abzielen, ist Gegenstand des abschließenden Teils dieser Arbeit. Erste Ergebnisse, die mit Dunkelzustandspolaritonen im Dreibeinsystem erzielt wurden, werden vorgestellt und im Hinblick auf die Vorhersagen eines theoretischen Modells diskutiert.
Die Kühlung neutraler Atome mit Hilfe von Laserlicht hat sich als wichtige experimentelle Technik in der Atom-und Quantenoptik etabliert.Mit dem Verfahren der Polarisationsgradientenkühlung werden Atome auf Temperaturen von wenigen Mikrokelvin, weit unterhalb des Dopplerlimits, gekühlt.Die vorliegende Arbeit befaßt sich systematisch mit zentralen Fragen zur Polarisationsgradientenkühlung in zwei Dimensionen und in Anwesenheit magnetischer und optischer Potentiale.Vor allem für neue Anwendungen der Laserkühlung neutraler Atome in Magnet-und Dipolfallen ist die hier untersuchte Thematik von grundlegender Bedeutung.Die Erweiterung der Polarisationsgradientenkühlung auf zwei Dimensionen ist nicht trivial.Das im allgemeinen aus drei oder vier Laserstrahlen erzeugte Polarisationsgradientenfeld besitzt keine Rotationssymmetrie.Dadurch kommt es zu einer Richtungsabhängigkeit der Laserkühlung.Im Rahmen dieser Arbeit konnten theoretisch vorhergesagte, charakteristische Impulsverteilungen der höherdimensionalen Laserkühlung mit einer Auflösung unterhalb der Photonenrückstoßgeschwindigkeit experimentell nachgewiesen werden.Dazu wurde die Dynamik der transversalen Kühlung eines langsamen Atomstrahls untersucht.Die theoretisch berechnete Zeitevolution der atomaren Geschwindigkeitsverteilung konnte qualitativ bestätigt werden.Das Polarisationsgradientenkühlen in Anwesenheit eines zusätzlichen Dipolpotentials ist im Hinblick auf die Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten mit rein optischen Verfahren wichtig.Hier wurde detailliert die zweidimensionale Kühlung eines atomaren Ensembles untersucht, das im starken Dipolpotential eines blau frequenzverstimmten Laguerre-Gauß Modes erster Ordnung (TEM * 01 ) eingeschlossen ist.Je nach Potentialstärke wurden bis zu achtzig Prozent der Atome auf sub-Dopplertemperatur gekühlt.Es zeigte sich, daß die Kühlung an Effizienz verliert, sobald der light shift des Fallenpotentials mit der Niveauverschiebung durch die optische Melasse vergleichbar ist.Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit Vorhersagen einer Quanten-Monte-Carlo Simulation, die in Zusammenarbeit mit einer niederländischen Forschungsgruppe entwickelt wurde.Ein homogenes statisches Magnetfeld kann die Dynamik der atomaren Bewegung in einem Polarisationsgradientenfeld entscheidend beeinflussen.Durch die Raman-Kopplung von Zeeman-Niveaus im bewegten Bezugssystem werden Teile des Ensembles auf verschiedene diskrete Geschwindigkeiten sub-Dopplergekühlt.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden erstmals Geschwindigkeitsselektive Resonanzen in zweidimensionalen Polarisationsgradientenfeldern untersucht.Durch die Kombination von optischer Melasse und statischen Magnetfeldern konnten atomare Gitterstrukturen im Impulsraum erzeugt werden.Die Verwendung dieses Kühlschemas gestattet es, die Dichteverteilung von Atomstrahlen gezielt zu strukturieren.Die Interpretation der Ergebnisse in der semiklassischen Näherung ergibt exzellente Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment.
Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Realisierung und Untersuchung optoelektronischer Bauelemente, welche nach einem elektrischen Impuls entweder genau ein einzelnes, polarisiertes Photon oder ein verschränktes Photonenpaar emittieren. Solche Emitterstrukturen werden als Q-Bit-Quellen bezeichnet. Eines der interessantesten Anwendungsgebiete einer solchen Q-Bit-Quelle ist die Quantenkryptographie, wobei hierfür sowohl einzelne linear polarisierte Photonen als auch verschränkte Photonenpaare hervorragend geeignet sind. In Hinblick auf die Entwicklung einer praxisrelevanten Emitterstruktur wurde im Rahmen dieser Arbeit ein quantenpunktbasierter Realisierungsansatz gewählt, dessen wesentliche Elemente erfolgreich patentiert werden konnten. Die für die Umsetzung des Gesamtkonzeptes dieser Arbeit entscheidende Herausforderung bestand zunächst darin, eine geeignete Bauelementstruktur zu entwickeln, mit der ein einzelner Quantenpunkt aus einem selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktensemble elektrisch selektiert werden kann. Mit der erfolgreichen Umsetzung dieses Bauelementtyps konnte erstmals die gezielte elektrische Ansteuerung der elektronischen Zustände eines einzelnen Quantenpunktes demonstriert werden. Da die Emission der Photonen in diesem ersten Ansatz ungerichtet in den vollen Raumwinkel erfolgt, ist die Anzahl der Photonen in einem akzeptablen Abstrahlwinkel trotz einer hohen internen Quanteneffizienz von ca. 20% sehr gering. Somit konzentrierte sich das weitere Vorgehen konsequenterweise auf die Steigerung der externen Quanteneffizienz. Durch die Einbettung des, idealerweise einzelnen, elektrisch gepumpten Quantenpunktes in eine Mikrokavität, kann sowohl die Emissionsrichtung der generierten Photonen als auch der Emissionsprozess des Quantenpunktes selbst beeinflusst werden. Die hierzu entwickelte oberflächenemittierende Bauelementstruktur ähnelt dabei in ihrem prinzipiellen Aufbau einer Resonant-Cavity-LED. Bei der Herstellung kavitätsbasierter Strukturen war die Bauelementmodellierung auf Grund der Komplexität ein unverzichtbares Element des Entwicklungsprozesses. Um den Zusammenhang zwischen konkreten Bauelementeigenschaften und einem dreidimensionalen Schichtsystem mit definierten Materialkompositionen, Dotierungsprofilen, lateralen und vertikalen Strukturausdehnungen herzustellen, wurde die Methode der Eigenmoden-Expansion verwendet, um ein funktionstüchtiges Design zu entwickeln. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Design konnte technologisch erfolgreich umgesetzt werden. Die Auskoppeleffizienz dieser, auf einer Resonant-Cavity-LED basierenden, Q-Bit-Quelle lag erwartungsgemäß weit über der des ersten Bauelementansatzes (etwa um einen Faktor 20). Mit dem hergestellten Bauelement konnte erstmals eine Einzelphotonen-Pulsfolge mit einer Frequenz von über 1GHz generiert werden. Damit ist die hier entwickelte Q-Bit-Quelle die bis dato mit Abstand schnellste elektrisch gepumpte, halbleiterbauelementbasierte Einzelphotonenquelle weltweit.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Herstellung und der wissenschaftlichen Untersuchung von auf GaAs/AlGaAs lateral definierten Quantenpunktkontakten und gekoppelten Quantenpunkten. Die im Rahmen dieser Arbeit eigenständig hergestellten Proben werden bei tiefen Temperaturen (T < 100mK) mittels niederfrequenten Messungen im Bereich sehr niedriger Ströme (I < 1pA) sowie Mikrowellenmessungen (f > 300MHz) charakterisiert. Die experimentelle Entwicklung und Realisierung einer Anpassschaltung zum Auslesen der Reflexion eines kapazitiv an einen Doppelquantenpunkt (DQD) gekoppelten Quantenpunktkontakts (QPC) wird präsentiert. Die physikalischen sowie technischen Grenzen der eingesetzten Lösung werden aufgezeigt. Der wichtigste Teil dieser Arbeit umfasst Experimente an einem DQD mit einem integrierten Nanomagneten. Die vorgestellten Messungen zeigen, dass ein einfaches Model der sequentiellen Auffüllung des DQDs angesichts der Anwesenheit des lokalen Magnetfelds des Nanomagneten nicht anwendbar ist. Dank der sehr freundlichen Unterstützung vom Dr. Geza Giedke aus Max-Planck-Institut war es möglich, anhand vorhandener Literatur ein theoretisches Model dieses DQDs aufzustellen. Die systematischen Untersuchungen im Bereich der Pauli-Spinblockade zusammen mit der theoretischen Interpretation lassen das Verhalten des DQDs als dynamische Wechselwirkung zwischen elektronischem Spin im DQD und den Spins der Kerne des Probematerials identifizieren. Darüber hinaus erlaubt die theoretische Beschreibung eine Bestimmung der an der Kernpolarisation beteiligten Zustände. Eine gezielte Initialisierung des DQDs erlaubt dabei die Untersuchung der Kerndynamik für verschiedene Übergänge zwischen den Eigenzuständen der Spinblockade. Diese Übergänge und die demzufolge erzeugte Kernpolarisation können dabei mittels rf-Anregung beeinflusst werden. Die vorliegende Arbeit zeigt die Möglichkeiten in Bezug auf die Untersuchung und Nutzung der dynamischen Wechselwirkung zwischen Elektronen und den Kernspins des Probematerials.
Phasenübergänge spielen in der Physik eine bedeutende Rolle. Es entspricht unserer Alltagserfahrung, dass Materie ihre Eigenschaften in Abhängigkeit von äußeren Parametern wie Volumen, Druck oder Temperatur bei Überschreiten gewisser Phasengrenzen grundlegend ändern kann. Eine solche Grenze stellt der Übergang eines klassischen Gases von Teilchen mit ganzzahligem Spin hin zu einem entarteten Quantengas dar: Die Bose-Einstein-Kondensation. Bei gegebener Dichte führt das kollektive Verhalten der Teilchen durch den Überlapp ihrer quantenmechanischen Wellenpakete unterhalb einer bestimmten Temperatur zu einer makroskopischen Besetzung nur eines Zustandes, sodass das Gesamtsystem durch nur eine Wellenfunktion beschrieben werden kann. Die Kondensation ist ein rein quantenstatistischer Effekt, basierend auf der grundlegenden Ununterscheidbarkeit bosonischer Teilchen, und somit unabhängig von der Existenz jeglicher Wechselwirkungen. Das in dieser Arbeit untersuchte zweidimensionale, harmonisch gefangene Photonengas in einem Farbstoff-Mikroresonator ist der Schwarzkörperstrahlung sehr ähnlich, unterscheidet sich jedoch in einem zentralen Punkt: Der verwendete Fluoreszenzfarbstoff kann, anders als die Wände des Schwarzkörpers, nicht thermisch angeregt werden, da die Anregungsenergie des elektronischen Übergangs um mehr als eine Größenordnung oberhalb der thermischen Energie liegt. Weiter muss der Farbstoff ein zuvor absorbiertes Photon zwangsläufig wieder emittieren, wobei es dem angeregten Farbstoffmolekül erlaubt ist, durch Stöße mit Lösungsmittelmolekülen Energie auszutauschen. Durch wiederholte Absorptions- und Reemissions-Prozesse koppelt das Photonengas so an das durch den Farbstoff gebildete Wärmebad und thermalisiert bei Raumtemperatur. Zudem beschränkt der Mikroresonator das Photonengas durch Festhalten des longitudinalen Wellenvektors auf seine beiden transversalen Freiheitsgrade. Dies führt zu einem nicht-trivialen Grundzustand mit einer unteren Abschneidefrequenz, sodass sich das Photonengas formal äquivalent zu einem Gas aus massiven bosonischen Teilchen verhält. Letzteres spiegelt sich auch in dem quadratischen Verlauf der Dispersionsrelation wider, welcher charakteristisch für ein Gas massiver Teilchen ist. Bei Erhöhung der Teilchenzahl kann der Phasenübergang zum Bose-Einstein-Kondensat beobachtet werden, indiziert durch die makroskopische Besetzung des Grundmoden im harmonischen Fallenpotential. Zentrales Thema der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Ordnungsparameter des Photonengases beim Übergang aus der klassischen, vollständig durch die Boltzmann-Statistik beschriebenen thermischen Phase hin zum quantenentarteten Bose-Einstein-Kondensat. Zunächst erfolgt eine Bestimmung der kalorischen Eigenschaften des Systems, insbesondere der inneren Energie, der spezifischen Wärme und der Entropie anhand von spektroskopischen Messungen der Photonenzahlverteilung im Mikroresonator. Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit den Erwartungen gemäß der Theorie des idealen Bosegases. Im Grenzfall hoher Temperaturen (geringer Teilchenzahlen) verhält sich das Photonengas wie ein klassisches einkomponentiges Gas, dessen Gesamtenergie gemäß des Äquipartitionstheorems mit der Temperatur und der Anzahl an Freiheitsgraden skaliert. Für tiefe Temperaturen (hohe Teilchenzahlen) strebt der Energieinhalt pro Teilchen des kondensierten Systems gegen 0, was gleichbedeutend ist zu einer unendlich großen Kompressibilität, wie sie für das ideale Bosegas zu erwarten ist. Der Phasenübergang wird besonders eindrucksvoll durch den spitzen Verlauf der spezifischen Wärme sichtbar, ähnlich dem bekannten λ-Übergang von flüssigem 4He in seine suprafluide Phase. In einem weiteren Schritt erfolgt eine interferometrische Untersuchung der Korrelationen erster Ordnung, die als direkte Indikatoren für den Grad an Ordnung im System dienen. In der thermischen Phase fällt die transversale Kohärenz auf einer von der thermischen de Broglie Wellenlänge vorgegebenen Längenskala ab. Dabei zeigt diese sowohl eine quantitative Übereinstimmung mit der Erwartung für ein Teilchen mit einer Masse, die der effektiven Photonenmasse im Resonator entspricht, als auch die erwartete Skalierung mit der Temperatur. Es konnte somit im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmalig die tatsächliche thermische de Broglie Länge eines photonischen Systems vermessen werden. Überdies konnte gezeigt werden, dass der Phasenübergang zum Kondensat einsetzt, sobald die theoretisch erwartete Phasenraumdichte erreicht ist. Die Annahme, dass die Quantennatur der Teilchen genau dann eine dominierende Rolle einnimmt, wenn ihre Wellenpakete überlappen, konnte somit für ein photonisches System verifiziert werden. Mit Einsetzen der Kondensation wächst die Kohärenz rasch an, sodass eine das gesamte System umfassende, langreichweitige Ordnung etabliert wird. In der Gesamtbetrachtung zeigt sich, dass das harmonisch gefangene, zweidimensionale Photonengas im farbstoffgefüllten Mikroresonator der Realisierung eines idealen Bosegases unerreicht nahe kommt.