451 research outputs found
On lossless quantum data compression and quantum variable-length codes
No full textAhlswede R, Cai N. On lossless quantum data compression and quantum variable-length codes. In: Leuchs G, Beth T, eds. Quantum Information Processing. Weinheim: Wiley-VCH; 2003: 66-78
Multi-twist polarization ribbon topologies in highly-confined optical fields
No full textElectromagnetic plane waves, solutions to Maxwell's equations, are said to be 'transverse' in vacuum. Namely, the waves' oscillatory electric and magnetic fields are confined within a plane transverse to the waves' propagation direction. Under tight-focusing conditions however, the field can exhibit longitudinal electric or magnetic components, transverse spin angular momentum, or non-trivial topologies such as Möbius strips. Here, we show that when a suitably spatially structured beam is tightly focused, a 3-dimensional polarization topology in the form of a ribbon with two full twists appears in the focal volume. We study experimentally the stability and dynamics of the observed polarization ribbon by exploring its topological structure for various radii upon focusing and for different propagation planes
Ein universelles Rasterelektronenmikroskop: Präzise Nanofabrikation für Plasmonik und korrelative Analyse für Materialwissenschaften
No full textNowadays, nanostructured materials and complex three-dimensional nano-architectures belong to basically all areas of socio-economic relevance such as health and life-sciences, information technology, transport, environment and energy efficiency, conversion and storage. Even commercial applications in these areas are more and more relying on nanoscale building blocks; thus, nanostructured materials have massively gained in importance. Of course, scientific research and development is focused even more on nanostructured materials and many interesting future applications are predicted.
The major difference between nanostructures and their bulk counterparts is the size effect, which can alter their physical and chemical behavior and enables new valuable properties that are not achievable with bulk materials. To optimize nanostructured materials, the required measurements and visualization at the nanoscale have to be developed in parallel to the synthesis procedures. The visualization of topography and morphology is the foundation of every nanoscale measurement and, in that respect, scanning or transmission electron microscopy (SEM & TEM) have emerged as the most ideal techniques.
Next to pure visualization, electron-matter interaction creates a multitude of different secondary particles or radiation, which can be exploited to gain information about chemical or structural composition and electrical or crystallographic properties. To collect all these information, several detectors are needed that can be attached to the microscope.
Another powerful addition to an SEM is a focused ion beam (FIB), i.e. a source of gallium, xenon, neon or helium ions, which can be used for material removal at the micro- or nanoscale, deposition or imaging. It not only enables precise nanostructuring, but also three-dimensional tomographic, electronic, crystallographic or chemical analyses.
This cumulative thesis presents several applications of a unique prototype FIB-SEM system equipped with various analytical add-ons in the fields of nanoscience and nanotechnology. The FIB-SEM prototype (Lyra 3 from TESCAN) is equipped with: (i) a field-emitter electron gun to achieve high imaging resolution, (ii) a gallium liquid metal ion source (LMIS) FIB, (iii) an energy-dispersive X-ray spectrometer (EDX) for chemical analyses, (iv) an electron backscatter diffraction (EBSD) detector for crystallographic studies, (v) an electron beam induced current (EBIC) detector for the analysis of solar cells, (vi) secondary and backscatter electron (SE/BSE) detectors for imaging, (vii) a combined cathodoluminescence (CL) and Raman spectroscopy detector for investigations or optical and compositional properties. The system is a result of two EU projects in the 7th framework program in the NMP priority (FIBLYS and UnivSEM). As leading scientist in the UnivSEM project, the thesis author designed operation procedures and application notes for the unique correlative microscopy and spectroscopy system.
The nanostructuring and analytical capabilities of the dual beam FIB/SEM system were demonstrated on many different materials and application areas. This thesis focuses on nanophotonic applications and presents five scientific publications, in which the author used the unique properties of the Lyra 3 system to solve complex problems from the two main topics ‘Nanostructuring’ and ‘Analysis’.
Publication I describes the development of a complex FIB nanopatterning procedure to prepare gold nanocones with controlled dimensions and thus tunable plasmon resonances. Publication II investigates ultrasmall optical cavities for which smooth spherical micromirrors were prepared by a custom FIB patterning routine. Publication III presents a detailed study about the structural and optical properties of colloidal gold platelets. Publication IV presents silicon nanowire arrays in multicrystalline layers on glass for potential application in solar cells. Finally, publication V investigates the metal-organic vapor phase epitaxy growth of InN nanowires and their structural and optical properties.Heutzutage sind nanostrukturierte Materialien und dreidimensionale Nanoarchitekturen in allen wirtschaftlichen Bereichen, wie z.B. den Gesundheits- und Biowissenschaften, der Informationstechnologie, Verkehr, Umwelt und Energiewirtschaft, von Bedeutung. Viele kommerzielle Produkte beinhalten inzwischen nanoskalige Bauelemente, weshalb Nanomaterialien extrem an Bedeutung gewonnen haben. In der wissenschaftlichen Forschung stehen nanostrukturierte Materialien sogar wesentlich stärker im Fokus und versprechen eine Fülle an interessanten Anwendungen.
Der größte Unterschied zwischen Nanomaterialien und ihren makroskopischen Pendants liegt im sogenannten Größeneinfluss, der bei Nanostrukturen zu neuartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften führen kann. Um nanostrukturierte Materialien optimieren zu können, müssen, parallel zur Synthese, Methoden zur Analyse und Visualisierung auf der Nanoskala entwickelt werden. Als ideales Fundament vieler nanoskaliger Messmethoden hat sich die Abbildung von Topografie und Morphologie mit Raster- oder Transmissionselektronenmikroskopen (REM & TEM) erwiesen.
Neben der reinen Visualisierung im REM, entstehen bei der Elektronen-Materie-Wechselwirkung eine Vielzahl an sekundären Partikeln oder elektromagnetischer Strahlungen, die Informationen über die chemische oder strukturelle Komposition sowie über elektrische oder kristallografische Eigenschaften tragen. Um diese Informationen sammeln zu können, benötigt man verschiedene Detektoren am Elektronenmikroskop, welche die jeweiligen Signale nachweisen können.
Eine weitere leistungsfähige Ergänzung eines REM ist ein fokussierter Ionenstrahl (FIB), z.B. aus Gallium, Xenon, Neon oder Helium Ionen, der zur Abtragung von Material auf der Mikro- oder Nanoskala, zur Deposition und zur Abbildung genutzt werden kann. Ein solcher Ionenstrahl ermöglicht nicht nur die Herstellung feiner Nanostrukturen, sondern auch dreidimensionale tomografische, elektrische, kristallografische oder chemische Analysen.
Diese kumulative Dissertation präsentiert verschiedene Anwendungen eines FIB-REM Prototyp-Systems, das mit den verschiedensten analytischen Erweiterungen ausgestattet ist, auf den Gebieten der Nanowissenschaften und Nanotechnologie. Der verwendete FIB-REM Prototyp (Lyra 3 von TESCAN) ist ausgestattet mit: (i) einer Feldemitter-Elektronenquelle für hochaufgelöste Abbildung, (ii) einer Gallium Flüssigmetall-Ionenquelle, (iii) einem Energie-dispersiven Röntgenspektrometer, (iv) einem Elektronenrückstreubeugungs-Detektor, (v) einem Modul für die Messung von elektronenstrahl-induziertem Strom, (vi) Sekundär- und Rückstreuelektronendetektoren zur Abbildung und (vii) einer kombinierten Kathodolumineszenz- / Ramanspektroskopie-Erweiterung für die Untersuchung von optisch aktiven und nichtmetallischen Materialien. Das System ist im Rahmen der zwei EU-Projekte FIBLYS und UnivSEM des 7th framework program (NMP priority) entstanden. Als leitender Wissenschaftler im UnivSEM Projekt hat der Autor dieser Dissertation Betriebsverfahren und Applikationen für ein solch einzigartiges korreliertes System entwickelt, das Mikroskopie- und Spektroskopiemethoden vereint.
Die einzigartigen Nanostrukturierungs- und Analysefähigkeiten des Zweistrahl FIB/REM Systems wurden an vielen unterschiedlichen Materialien aus verschiedenen Forschungsgebieten demonstriert. Diese Dissertation fokussiert sich auf nanophotonische Anwendungen und fasst fünf wissenschaftliche Publikationen zusammen, für die der Autor das Lyra 3 System verwendet hat, um komplexe Fragestellungen der Schwerpunkte ‚Nanostrukturierung‘ und ‚Analyse‘ zu beantworten.
Publikation I beschreibt die Entwicklung eines FIB-Nanostrukturierungsprozesses zur Herstellung von Gold-Nanokegeln mit kontrollierbaren Dimensionen, wodurch eine einstellbare Plasmonenresonanz erreicht wird. Publikation II untersucht kleine optische Mikrokavitäten, für die ein FIB-Prozess zur Herstellung sphärischer Mikrospiegel entwickelt wurde. Publikation III präsentiert eine detaillierte Analyse von kolloidalen Goldplättchen. Publikation IV präsentiert Silizium-Nanodraht-Anordnungen in multikristallinen Schichten auf Glas für die Anwendung in Solarzellen. Publikation V beschreibt eine detaillierte Wachstumsstudie von Indiumnitrid Nanodrähten und deren optische und strukturelle Eigenschaften
Heteroepitaktisches Wachstum von GaN Nanostrukturen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie auf Saphir und Silizium unter Anwendung von Graphen als Zwischenschicht
No full textModern high efficient optoelectronic devices, such as blue light emitting diodes or laser diodes in Blu-ray player, are based on the compound semiconductor GaN. Through its additional field of application as high frequency and high power transistors GaN could in the future even outshine Si as the most important semiconducting material. The lack of large area and cost-effective GaN substrates makes a growth of the aforementioned device structures on non-native substrates (e.g. sapphire) necessary. However, in heteroepitaxy there are several problems, e.g., lattice mismatch between substrate and GaN, which lead to a drop in performance of GaN-based devices, e.g. via the formation of defects in the crystal.
In this thesis the heteroepitaxial growth of GaN nanorods grown on foreign substrates via metal organic vapor phase epitaxy is investigated. A self-catalyzed growth of GaN micro- and nanorods on different substrates is presented, in which the structures of high crystal quality are grown on GaN nucleation islands without the need for additional masking of the substrate. The influence of various growth parameters on the morphology and the optical properties of the vertical aligned nanorods is analyzed on sapphire. Here a focus is put on the influence of gaseous Si during the growth, for already a small amount of it enhances the growth rate of the GaN nanorods through the formation of a sidewall passivating SiN layer. This layer additionally elevates the thermal resistivity of the nanorods but also influences their lateral overgrowth, e.g., with InGaN films for optoelectronic applications. Though the micro- and nanorods grown in this way show high crystal and optical quality, they remain electrically isolated on the sapphire substrates. To this end graphene was used as a buffer layer on sapphire, which enables electrical conductivity for GaN micro- and nanorods grown on it via the same self-catalyzed growth as on bare sapphire. Even though graphene has shown to be resilient against the growth conditions for GaN, it also proved to be chemically inert to the same, leading basically to nucleation of GaN at defects in graphene. At these defects the supporting substrate had an influence on the growth of the GaN structures. Adding Al during the deposition of the nucleation island has shown to be beneficial for the growth on defect-free graphene and allowed for the growth of GaN nanorods with good crystalline and optical properties on graphene, independently of the supporting substrates. Thus, graphene could be used as chemically inert buffer layer for the growth of GaN nanorods with hexagonal crystal symmetry even on Si(100) with four-fold symmetry of the atomic arrangement on the surface. Being able to grow high quality GaN on any supporting substrate, which sustains the growth temperatures of GaN, is a substantial advancement for novel devices based on GaN and could be an important step to integrate GaN- and Si-based technology.Heutige hocheffiziente optoelektronische Bauelemente wie z.B. blaue lichtemittierende Dioden oder Laserdioden in Blu-ray-Disc-Playern basieren auf dem Verbindungshalbleiter GaN. Durch dessen zusätzliche Einsatzmöglichkeiten als Hochfrequenz- und Leistungstransistor könnte GaN in Zukunft sogar Si als wichtigstes Halbleitermaterial in den Schatten stellen. Trotz der möglichen Vorteile von GaN gegenüber Si macht der Mangel an großflächigen und kostengünstigen Substraten ein Wachstum der obenerwähnten Bauelemente auf Fremdsubstraten (z.B. Saphir) notwendig. In der Heteropitaxie gibt es jedoch einige Schwierigkeiten wie Gitterfehlanpassung zwischen Substrat und GaN, welche z.B. über Defektbildung im Kristall zu einem Leistungsabfall der GaN-basierten Bauelemente führen kann.
In dieser Arbeit wird das heteroepitaktische Wachstum von GaN Nanosäulen untersucht, welche mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie auf Fremdsubstrate gewachsen wurden. Ein selbstkatalysiertes Wachstum von GaN Mikro- und Nanosäulen auf verschiedenen Substraten wird dargelegt, in welchem die Strukturen mit hoher kristalliner Qualität ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Maskierung des Substrates auf GaN Nukleationsinseln gewachsen werden können. Der Einfluss verschiedener Wachstumsparametern auf die Form und die optischen Eigenschaften der vertikal orientierten Nanosäulen wird auf Saphir analysiert. Hierbei wird ein Fokus auf den Einfluss von gasförmigem Si während des Wachstums gelegt, da hiervon bereits kleine Mengen die Wachstumsrate der GaN Nanosäulen durch die Bildung einer passivierenden SiN-Schicht auf den Seitenwänden verstärkt. Diese Schicht erhöht zusätzlich die Wärmebeständigkeit der Nanosäulen, beeinflusst aber auch deren laterales Überwachsen, z.B. mit InGaN-Schichten für optoelektronische Anwendungen. Obschon die solchermaßen gewachsenen GaN Mikro- und Nanosäulen hohe kristalline und optische Güte aufweisen, verbleiben sie auf den Saphir-Substraten elektrisch isoliert voneinander. In dieser Hinsicht wurde Graphen als Zwischenschicht auf Saphir verwendet, welche die elektrische Leitfähigkeit zwischen den auf ihm gewachsenen GaN Mikro- und Nanosäulen ermöglichte, die in derselben Weise wie auf bloßem Saphir mittels selbstkatalytischem Wachstum hergestellt wurden. Obwohl sich Graphen als widerstandsfähig gegenüber den Wachstumsbedingungen von GaN erwiesen hat, zeigte es sich diesem gegenüber auch als chemisch inert, was im Wesentlichen zur Nukleation von GaN an Defekten von Graphen führte. An diesen Defekten hatte das Trägersubstrat unter dem Graphen einen Einfluss auf das Wachstum der GaN Strukturen. Das Hinzufügen von Al während des Abscheidens der Nukleationsinseln erwies sich als vorteilhaft für das Wachstum auf defektfreiem Graphen und ermöglichte ein Wachstum von GaN Nanosäulen mit guter kristalliner und optischer Qualität, unabhängig vom Trägersubstrat. Dadurch konnte Graphen als chemisch inerte Zwischenschicht verwendet werden, um GaN Nanosäulen mit hexagonaler Kristallsymmetrie selbst auf Si(100) mit einer vierfachen Symmetrie der atomaren Anordnung an der Oberfläche aufzuwachsen. Die Möglichkeit qualitativ hochwertiges GaN auf beliebige Trägersubstrate aufzuwachsen, welche die Wachstumstemperaturen von GaN aushalten, ist ein bedeutender Fortschritt für neue GaN-basierte Bauelemente und könnte zur Integrierung von GaN- und Si-basierter Technologie beitragen
Langstrecken-Quantenkommunikation: Dekohärenz-Vermeidung Mechanismen
No full textEntanglement is the essence of most quantum information processes. For instance, it is used as a resource for quantum teleportation or perfectly secure classical communication. Unfortunately, inevitable noise in the quantum channel will typically affect the distribution of entanglement. Owing to fundamental principles, common procedures used in classical communication, such as amplication, cannot be applied. Therefore, the fidelity and rate of transmission will be limited by the length of the channel. Quantum repeaters were proposed to avoid the exponential decay with the distance and to permit long-distance quantum communication. Long-distance quantum communication constitutes the framework for the results presented in this thesis. The main question addressed in this thesis is how the performance of quantum repeaters are affected by various sources of decoherence. Moreover, what can be done against decoherence to improve the performance of the repeater. We are especially interested in the so-called hybrid quantum repeater; however, many of the results presented here are sufficiently general and may be applied to other systems as well. First, we present a detailed entanglement generation rate analysis for the quantum repeater. In contrast to what is commonly found in the literature, our analysis is general and analytical. Moreover, various sources of errors are considered, such as imperfect local two-qubit operations and imperfect memories, making it possible to determine the requirements for memory decoherence times. More specifically, we apply our formulae in the context of a hybrid quantum repeater and we show that in a possible experimental scenario, our hybrid system can create near-maximally entangled pairs over a distance of 1280 km at rates of the order of 100 Hz. Furthermore, aiming to protect the system against different types of errors, we analyze the hybrid quantum repeater when supplemented by quantum error correction. We propose a scheme for combating photon losses in the channel using repetition codes, as well as for suppressing the effect of finite memory decoherence times and imperfect two-qubit gates. In the latter case, we shall also use codes more complex than the repetition codes, namely, the Calderbank-Shor-Steane codes. Finally, in the context of Quantum Key Distribution, we analyze the secret key rates obtainable by the hybrid repeater utilizing the formalism derived for the entanglement generation rate analysis.Verschränkung ist ein essentieller Grundbaustein für Anwendungen im Gebiet der Quanteninformation. Sowohl die Teleportation von Quanteninformation als auch die Möglichkeit einer absolut sicheren Datenübertragung basieren auf diesem Prinzip. Leider wird die Übertragung von Verschränkung normalerweise durch das Rauschen imperfekter Quantenkanäle beeinflusst. Aufgrund der quantenmechanischen Natur des Phänomens können die Verfahren, welche aus der klassischen Kommunikationstechnik bekannt sind, wie z.B. Signalverstärker, nicht angewandt werden, um dem entgegenzuwirken. Dementsprechend werden Qualität und Rate der Übertragung durch die Länge des Kanals limitiert. Um den resultierenden, exponentiellen Abfall zu kompensieren und damit Quantenkommunikation auch über große Reichweiten zu ermöglichen, entwickelten Wissenschaftler das Konzept des Quantenrepeaters. Langstrecken Quantenkommunikation entspricht der Hauptmotivation für die Resultate, welche in dieser Arbeit präsentiert werden. Die Kernfrage dieser Dissertation ist, wie die Funktionsfähigkeit eines Quantenrepeaters durch den Effekt der Dekohärenz beeinflusst wird und wie man dementsprechend dessen Funktionsweise ändern kann, um dem entstehenden Rauschen entgegenzuwirken. Obwohl sich in dieser Arbeit auf den Hybridquantenrepeater bezogen wird, sind viele der Resultate allgemeingültig und können auch in anderen Systemen angewandt werden. Zunächst analysieren wir detailliert, welche Raten der Verschränkungserzeugung bei einem Quantenrepeater zu erwarten sind. Im Gegensatz zur bisherigen Literatur ist unsere Analyse allgemeingültig und analytisch. Dabei untersuchen wir unterschiedliche Fehlerquellen, wie z.B. imperfekte Operationen zwischen zwei Quantenbits und fehlerhafte Speicher, und bestimmen damit die nötigen Vorrausetzungen für lange Dekohärenzzeiten von Quantenspeichern. Wir wenden die gewonnenen Erkenntnisse auf einen Hybridquantenrepeater an und zeigen so, dass es experimentell möglich ist, mit diesem Hybridsystem fast-maximal verschränkte Photonenpaare mit einer Rate um 100 Hz in einem Abstand von 1280 km zu erzeugen. Mit dem Ziel das System vor unterschiedlichsten Fehlern zu schützen führen wir darüber hinaus eine Quantenfehlerkorrektur für den Hybridquantenrepeater ein. Die Methode sieht vor, die Photonenverluste im Kanal, die kurzen Speicherkohärenzzeiten und die imperfekten Zwei-Quantenbit Operationen mit Hilfe von redundanten Wiederholungskodierung zu kompensieren, wobei speziell für die letzten beiden Probleme auch komplexere Ansätze, wie die der Calderbank-Shore-Steane-Kodierung verwendet werden. Abschließend untersuchen wir im Zusammenhang mit dem Gebiet der Quantenschlüsselverteilung die Übertragungsrate von geheimen Schlüsseln durch den Quantenrepeater unter Zuhilfenahme des vorher entwickelten Formalismus zur Berechnung der Verschränkungserzeugungsrate
Charakterisierung und Anwendung von Quantenzuständen der kontinuierlichen Variablen des Lichts
No full textThe aim of this thesis was the characterization of continuous variable quantum states of light and their application in quantum information processing protocols. The photo current statistics of squeezed and entangled states from a nonlinear fiber Sagnac interferometer were analyzed and can be regarded as Gaussian states within the measurement accuracy. In addition, instead of the usual variance, the covariance was experimentally investigated as a relative measure of squeezing, using a balanced self-homodyne system. As an application in a quantum information protocol the experimental distillation of squeezed states has been shown. The undistilled squeezed states suffered from non-Gaussian classical excess noise. In the experiment nearly the complete squeezing could be recovered by a probabilistic selection method. The Cavalcanti-Reid criterion to prove intrinsic macroscopic superposition states in continuous variables was experimentally applied for the first time. With this criterion generalized superposition states were proven in vacuum and intense coherent states with a distance in phase space of 0.51+/-0.02 shot noise units. For squeezed states from an optical parametric oscillator generalized superposition states were proven with a distance of up to 0.83+/-0.02 shot noise units. At the same time the dependence of the criterion on squeezing and purity of the states was investigated. To reconstruct the quantum state of the polarization variables of light, a theory was developed, that is based on the su(2) algebra and at the same time takes into account the possibility, that the photon number is not fixed. It was found that for high photon numbers the quantum state reconstruction of the SU(2) Q function in Poincare space is an inverse 3D Radon transformation. With this method the Q function of a polarization squeezed state was reconstructed from measured data. In the dark plane of a polarization squeezed state the Wigner function of an intense Kerr squeezed state was reconstructed for the first time.Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung quantenmechanischer Zustände des Lichts und die Anwendung in Protokollen der Quanteninformationsverarbeitung. Hierbei wurden Quantenzustände der kontinuierlichen Variablen des Lichts untersucht und verwendet. Die Photostromstatistik der gequetschten und verschränkten Zustände aus einem nichtlinearen Faser-Sagnac Interferometer wurde analysiert. Im Rahmen der Messgenauigkeit können sie als Gaußsche Zustände betrachtet werden. Außerdem wurde an einem abgeglichenen Zwei-Wege-Detektionsaufbau anstatt der üblichen Varianz die Kovarianz als relatives Maß des Quetschgrades eines Zustands experimentell untersucht. Als Anwendung in einem Quanteninformationsprotokoll wurde die experimentelle Destillation von gequetschten Zuständen realisiert. Die gequetschten Zustände waren durch nicht-Gaußsches, klassisches Zusatzrauschen beeinträchtigt. In dem Experiment gelang es, durch zeitliche Selektion probabilistisch nahezu den gesamten Quetschgrad des Ausgangszustands wiederherzustellen. Das Cavalcanti-Reid-Kriterium zum Nachweis von intrinsischen, makroskopischen Superpositionszuständen in Quantenzuständen kontinuierlicher Variablen wurde zum ersten Mal experimentell angewandt. Dabei wurden in Vakuumzuständen und hellen kohärenten Zuständen verallgemeinerte Superpositionszustände mit einem Abstand im Phasenraum von 0.51+/-0.02 Schrotrauscheinheiten nachgewiesen. Dies unterstreicht den quantenmechanischen Charakter der kohärenten Zustände. Für gequetschte Zustände aus einem optischen parametrischen Oszillator konnten verallgemeinerte Superpositionszustände mit einem Abstand von bis zu 0.83+/-0.02 Schrotrauscheinheiten nachgewiesen werden und gleichzeitig wurde die Empfindlichkeit des Kriteriums hinsichtlich Quetschgrad und Reinheit der Zustände untersucht. Für die Quantenzustandsrekonstruktion der Polarisationsvariablen des Lichts wurde eine Theorie entwickelt, die der su(2)-Algebra der Stokes-Operatoren Rechnung trägt und gleichzeitig die Möglichkeit von nicht festgelegten Photonenzahlen berücksichtigt. Dabei stellte sich heraus, dass für hohe Photonenzahlen die Zustandsrekonstruktion der SU(2)-Q-Funktion im Poincareraum als dreidimensionale inverse Radontransformation durchgeführt werden kann. Mit dieser Methode wurde die Q-Funktion eines polarisationsgequetschten Zustands aus Messungen rekonstruiert. In der Dunkelebene des polarisationsgequetschten Zustands wurde außerdem zum ersten Mal die Wignerfunktion eines hellen Kerr-gequetschten Zustands rekonstruiert
Hocheffiziente Licht Materie Wechselwirkung
No full textThis thesis describes first experiments on the topic of efficient light-matter
interaction in a free space geometry. The experiments are realized with a
single 174Yb+ ion trapped in the focus of a parabolic mirror. The mirror
is used as a mode converter that transforms a suitable plane wave into a
linearly polarized dipole mode, leading to high coupling efficiencies. Several
experiments utilizing this setup are reported. The characterization of
the setup’s collection efficiency [A1] was performed. The coupling efficiency
was measured in two different ways. One employing saturation type measurements
[A2, A5], the other investigating the dispersive interaction of the
light field with a single atom [A4]. Additionally a fully-resonant three-step
photoionization scheme which produces 174Yb2+ ions out of 174Yb+ ions is
presented. The current limitations of the setup are discussed and possible
solutions are highlighted.
The experiments on light-matter interaction provide a new access to the
fundamental processes regarding the absorption and emission of light by a
single atom. Mastering this process can enable new possibilities for building
quantum networks where it is envisioned that atoms at distant locations are
coupled by means of single traveling photons. Furthermore, an ingoing linear
dipole wave produces the smallest focal spot size possible in free space,
giving rise to novel possibilities for applications in microscopy. In addition,
utilizing the dispersive interaction of the same light field with two properly
prepared distant atoms can realize a quantum repeater. Such a device is
essential for quantum communication to circumvent losses due to large distances.
Further, the creation of 174Yb2+ ions is an important step ahead
towards perfect light-matter coupling due to its particularly well-suited level
structure.Diese Arbeit beschreibt erste Experimente zum Thema der effizienten Licht-
Materie Wechselwirkung im freien Raum. Die Experimente wurden mit
einem einzelnen 174Yb+ Ion realisiert, das im Fokus eines parabolischen
Spiegels gefangen ist. Der Spiegel wurde als Modenkonverter von einer
passenden ebenen Welle in eine einlaufende lineare Dipolwelle verwendet,
die zu hohen Kopplungseffizienzen führt. Mehrere Experimente, die diesen
Aufbau nutzen, werden vorgestellt. Mit diesen wurde die Sammeleffizienz
[A1] charakterisiert. Die Kopplungseffizienz wurde über zwei unterschiedliche Wege gemessen. Einer davon nutzt Sättigungsexperimente aus [A2, A5],
während der andere die dispersive Wechselwirkung zwischen dem Lichtfeld
und einem einzelnen Atom untersucht [A4]. Zusätzlich wird ein vollresonanter
drei Stufen Prozess zur Photoionisation von 174Yb+ zu 174Yb2+
vorgestellt. Die derzeitigen Grenzen des Aufbaus werden diskutiert und
mögliche Lösungen werden aufgezeigt.
Die Experimente zur Licht-MaterieWechselwirkung ermöglichen einen neuen
Zugang zum grundlegenden Prozess der Absorption und Emission von Licht
durch ein einzelnes Atom. Das Meistern dieses Prozesses kann neue Möglichkeiten
für den Bau eines Quantennetzwerks anregen, bei dem man sich
vorstellt, dass Atome an weit entfernten Orten miteinander durch fliegende
Photonen gekoppelt werden. Eine einlaufende linear polarisierte Dipolwelle
führt zum kleinst möglichen fokalen Lichtfleck im freien Raum, was neue
Anwendungen in der Mikroskopie ermöglichen kann. Nutzt man die dispersive
Wechselwirkung desselben Lichtfeldes mit zwei geeignet präparierten,
voneinander entfernten Atomen, kann man einen Quantenrepeater
realisieren. Dieser ist ein essentieller Bestandteil für die Quantenkommunikation
um Verluste aufgrund von großen Entfernungen zu umgehen. Des
Weiteren ist die Erzeugung von 174Yb2+ Ionen ein wichtiger Schritt auf
dem Weg zu perfekter Licht-Materie Wechselwirkung aufgrund seiner für
ionisierte Teilchen seltenen Niveaustruktur
InGaN/GaN Nanosäulen LEDs mit Neuartigen Transparenten Kontakten
No full textCrucial aspects of nanostructured optoelectronic devices exemplified by light emitting diodes (LEDs) are addressed in this work. For this purpose, ensembles of etched GaN nanorods with a diameter of about 600 nm and an aspect ratio of about 2-3 for LED applications were investigated. Mechanisms leading to reduced device efficiency like non radiative surface recombination and mechanical strain were examined and reduced by appropriate nanostructuring and passivation. Additionally, transparent electrodes made from abundantly available resources, namely ZnO and graphene, were investigated and applied to GaN nanorod LEDs.
The development of transparent electrodes is essential for efficient current spreading in any kind of optoelectronic device. Thesis publication I deals with modeling the dielectric function of thin transparent conductive layers made from aluminum doped zinc oxide (AZO). In contrast to the commonly used tin-doped indium oxide (ITO), AZO is abundantly available and deposition by atomic layer deposition (ALD) is well established. By employing self-limited surface reaction, ALD enables deposition of highly uniform layers, even on complex three-dimensionally structured surfaces. It was demonstrated that by choosing an appropriate model for the dielectric function important electric properties of the material like e.g. the optical band gap energy and the shift of the Fermi-level caused by doping, can be determined. The model dielectric function can serve as input for optics simulations and detailed design of an optoelectronic device.
The performance of GaN-based devices suffers from extended crystal defects like threading dislocations and mechanical strain due to the growth of GaN on foreign, non lattice-matched substrates. InGaN quantum-wells (QWs), which are the active layers in GaN based LEDs, suffer from this strain and additional strain induced by the different lattice constants of GaN and InGaN. Since GaN is piezoelectric, strain leads to an electric field, from which the quantum-confined Stark effect (QCSE) within InGaN QWs follows. As a consequence, electron and hole wave functions get spatially separated, lowering the probability of radiative recombination and hence reducing device efficiency. In nanorods, strain in GaN can completely and in InGaN QWs partially be relaxed, hence reducing QCSE to a minimum. However, the surface exposed to ambient of such devices is increased by several orders of magnitude. Therefore, surface effects like non-radiative recombination mediated by surface states become a serious issue.
Exploring relaxation of strain in GaN nanostructures is the focus of thesis publication II. It could be shown that strain gets completely relaxed in GaN and partially in the InGaN QWs by etching of nanorods. Additionally, there is evidence that the emission wavelength of single GaN nanorod LEDs is not only determined by strain, but also local variations in In concentration and quantum well thickness play an important role.
In thesis publication III and IV, the dynamics of charge carriers and passivation of the nanorods' sidewalls are investigated. Thesis publication III deals with the dynamics of excitons in nanorod LEDs. Mapping of the optical decay traces revealed that KOH etching of the nanorod LEDs is capable of passivating their surface. However, it turned out that there is an increased inhomogeneity of the nanorod LEDs after KOH treatment, suggesting that further passivation is necessary.
In thesis publication IV the effect of passivating the nanorods' sidewalls was further investigated. Time-resolved photoluminescence measurements showed, that removing damage from the etching of the nanorods and subsequent coating of their sidewalls with alumina, can suppress non-radiative recombination due to surface states nearly completely. Moreover, the increase of efficiency by the alumina coating was demonstrated by measuring photoluminescence and electroluminescence. Finally, these devices were prepared with a suspended p-contact on top of the nanorods, which was made from graphene in a way that does not require filling of the interstices between the nanorods.In dieser Arbeit werden wesentliche Aspekte nanostrukturierter optoelektronischer Bauteile am Beispiel lichtemittierender Dioden (LEDs) behandelt. Dafür wurden Ensembles von GaN Nanosäulen mit Durchmessern von etwa 600 nm und einem Aspektverhältnis von 2-3 untersucht. Mechanismen, die zu einer verminderten Effizienz von Bauteilen führen, wie nichtstrahlende Oberflächenrekombination und mechanische Spannung wurden untersucht und durch geeignete Strukturierung und Passivierung reduziert. Zusätzlich wurden transparente Elektroden aus ZnO und Graphen, die aus häufig vorkommenden und somit günstigen Elementen bestehen, untersucht und in LEDs aus GaN Nanosäulen integriert.
Die Entwicklung transparenter Elektroden zur effizienten Verteilung des elektrischen Stroms ist grundlegend für die Funktion optoelektronischer Bauelemente jeglicher Art. In Veröffentlichung I dieser Arbeit wird die Modellierung der dielektrischen Funktion dünner, transparenter und leitfähiger Schichten aus mit Aluminium dotiertem Zinkoxid (AZO) behandelt. Im Gegensatz zum üblicherweise benutzten mit Zinn dotiertem Indiumoxid (ITO) ist AZO nahezu unbegrenzt verfügbar und dessen Abscheidung mittels Atomlagenabscheidung (ALD) etabliert. Mittels selbstlimitierender Oberflächenreaktionen ermöglicht ALD die Abscheidung von Schichten mit konstanter Dicke sogar auf dreidimensional strukturierten Oberflächen. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Wahl eines geeigneten Modells für die dielektrische Funktion wichtige elektrische Eigenschaften wie zum Beispiel die optische Bandlücke und die Verschiebung der Fermi-Energie durch Dotierung, mit einer einzigen optischen Messung bestimmt werden können. Die modellierte dielektrische Funktion kann zur optischen Simulation und für den Entwurf optoelektronischer Bauelemente herangezogen werden.
Die Leistungsfähigkeit von auf GaN basierenden Bauteilen wird durch Auswirkungen ausgedehnter Kristalldefekte wie z.B. Versetzungen und unter mechanischer Spannung aufgrund des Wachstums von GaN auf Fremdsubstraten mit abweichender Gitterkonstante limitiert. InGaN Quantentröge (QWs), die als aktive Schicht in GaN basierten LEDs genutzt werden, leiden unter dieser mechanischen Spannung und zusätzlicher mechanischer Spannung, die durch die unterschiedlichen Gitterkonstanten von GaN und InGaN entsteht. Da GaN piezoelektrisch ist, entsteht durch mechanische Spannung ein elektrisches Feld, was den quantum-confined Stark effect (QCSE) in den QWs zur Folge hat. Dieser sorgt für eine räumliche Separation der Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer strahlenden Rekombination der Ladungsträger sinkt und letztendlich die Effizienz des Bauteils reduziert wird. In Nanosäulen kann die mechanische Spannung in GaN vollständig und in den InGaN QWs teilweise relaxieren und folglich ist der QCSE auf ein Minimum reduziert. Die Oberfläche des Bauteils, die der Umgebung ausgesetzt ist ist jedoch um mehrere Größenordnungen größer. Dadurch werden Oberflächeneffekte wie nichtstrahlende Oberflächenrekombination nun zu einem ernstzunehmenden Problem.
Der Schwerpunkt von Veröffentlichung II dieser Arbeit ist die Untersuchung der Relaxierung mechanischer Spannung in Nanosäulen LEDs. Es wird gezeigt, dass die mechanische Spannung in Nanosäulen im Falle von GaN vollständig und im Falle von InGaN QWs teilweise relaxiert wird. Zusätzlich stellte sich heraus, dass die Emissionswellenlänge einzelner InGaN/GaN Nanosäulen LEDs nicht nur durch die mechanische Spannung bestimmt wird, sondern auch lokale Schwankungen des Indiumgehalts in den QWs und deren Dicke eine wichtige Rolle spielen.
In Veröffentlichungen III und IV dieser Arbeit wurden die Dynamik der Ladungsträger und die Passivierung der Seitenflächen der Nanosäulen untersucht. Veröffentlichung III beschäftigt sich mit der Dynamik der Exzitonen in Nanosäulen LEDs. Eine Kartierung der optischen Zerfallskurven ergab, dass Ätzen der Nanosäulen in KOH in der Lage ist, deren Seitenflächen zu passivieren. Es zeigte sich jedoch, dass die Inhomogenität unter den Nanosäulen LEDs nach der KOH-Behandlung zunimmt, was dafür spricht, dass weitere Passivierungsmaßnahmen notwendig sind.
In Veröffentlichung IV wurde die Passivierung der Seitenflächen der Nanosäulen LEDs weiter untersucht. Die Messung von zeitaufgelöster Photolumineszenz zeigte, dass durch die Entfernung des durch Plasmaätzen der Nanosäulen beschädigten Materials und darauf folgender Beschichtung der Seitenflächen der Nanosäulen mit Aluminiumoxid, nichtstrahlende Rekombination aufgrund von Oberflächenzuständen fast vollständig unterdrückt werden konnte. Ferner wurde die Zunahme der Effizienz von Nanosäulen LEDs durch die Beschichtung mit Aluminiumoxid mittels Messung von Photo- und Elektrolumineszenz nachgewiesen. Diese Bauelemente wurden mit einem auf den Nanosäulen frei liegenden p-Kontakt aus Graphen hergestellt, wobei darauf verzichtet werden konnte, die Zwischenräume zwischen den Nanosäulen zu füllen
Bausteine für effiziente Licht-Materie-Wechselwirkung im freien Raum
No full textThe interaction of light with a single atomic ion in free space can be enhanced to maximum efficiency by matching the light field to the radiation pattern of the ion. The present thesis describes the experimental realization of such a light mode. To this end a radially polarized doughnut beam is focused by a parabolic mirror. At the focus of the parabolic mirror a single ytterbium ion is located using a novel kind of ion trap. The construction and successful implementation of this parabolic-mirror trap is described in detail. Additionally, first experiments on the interaction with a doughnut beam focused from half the solid angle on the ion are shown.Die Wechselwirkung von Licht mit einem atomaren Ion im freien Raum ist mit hoher Effizienz realisierbar, wenn das eingestrahlte Lichtfeld an die Emissionseigenschaften des Ions angepasst wird. Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Realisierung einer solchen Lichtmode. Hierzu wird ein radial polarisierter Doughnutstrahl mit einem Parabolspiegel fokussiert. Im Fokus des Parabolspiegels wird ein einziges Ytterbiumion mit Hilfe einer neuartigen Ionenfalle lokalisiert. Es werden sowohl der Bau dieser Parabolspiegelfalle, als auch deren erfolgreiche Inbetriebnahme detailliert beschrieben. Des Weiteren werden erste Experimente der Licht-Materie-Wechselwirkung diskutiert, bei denen der erzeugte Doughnutstrahl vom halben Raumwinkel auf das Ion fokussiert wird
Experimentelle Realisierung von Quantenkommunikationsprotokollen
No full textThe aim of this work has been the experimental investigation of three different continuous variable quantum communication protocols. In contrast to single photon experiments amplitude and phase quadrature fluctuations of intense light fields are the observables of interest. The experimental building block is the amplitude quadrature squeezed state which is generated with the help of the Kerr nonlinearity in optical glass fibres.Gegenstand dieser Arbeit war die experimentelle Untersuchung dreier verschiedener Quantenkommunikationsprotokolle mit kontinuierlichen Variablen. Im Gegensatz zu Einzelphotonenexperimenten sind hier die Amplituden- und Phasenquadraturfluktuationen heller Lichtfelder von Interesse. Resource für alle Experimente ist der in der Amplitudenquadratur gequetschte Zustand, der mittels der Kerr-Nichtlinearität in Glasfasern erzeugt wird
- …
