Dephasing processes in a single semiconductor quantum dot

Guillaume Cassabois; Robson Ferreira

doi:10.1016/j.crhy.2008.10.009

Dephasing processes in a single semiconductor quantum dot
[Processus de déphasage dans une boîte quantique unique de semiconducteurs]

Guillaume Cassabois ^1,² ; Robson Ferreira ^1,²

¹ École normale supérieure, Laboratoire Pierre-Aigrain, 24, rue Lhomond, 75231 Paris cedex 5, France
² CNRS UMR8551, Laboratoire associé aux universités Pierre-et-Marie-Curie et Paris Diderot, France

Comptes Rendus. Physique, Recent advances in quantum dot physics / Nouveaux développements dans la physique des boîtes quantiques, Volume 9 (2008) no. 8, pp. 830-839.

Résumé
Abstract

Nous discutons la dynamique de décohérence pour une boîte quantique unique et analysons deux mécanismes de déphasage. Dans la première partie de cette revue, nous examinons la source intrinsèque de déphasage provenant du couplage aux phonons acoustiques. Nous montrons que la réaction non-perturbative du réseau à la transition optique interbande se traduit par un spectre optique composite avec une raie centrale à zéro-phonon et des bandes latérales. De fait, les bandes latérales de phonons acoustiques dominent complètement la réponse optique de la boîte quantique à température ambiante. Dans la deuxième partie de cet article, nous nous concentrons sur le mécanisme extrinsèque de déphasage associé à la diffusion spectrale, qui détermine le spectre de la boîte quantique à basses températures. Nous interprétons les variations de profil et de largeur de la raie à zéro-phonon comme étant dues à l'environnement électrostatique fluctuant. Nous montrons en particulier l'existence d'un régime de rétrécissement par le mouvement dans la limite des basses températures ou faibles densités d'excitation, ce qui révèle une phénoménologie non-conventionnelle par rapport à la résonance magnétique nucléaire.

We discuss the decoherence dynamics in a single semiconductor quantum dot and analyze two dephasing mechanisms. In the first part of the review, we examine the intrinsic source of dephasing provided by the coupling to acoustic phonons. We show that the non-perturbative reaction of the lattice to the interband optical transition results in a composite optical spectrum with a central zero-phonon line and lateral side-bands. In fact, these acoustic phonon side-bands completely dominate the quantum dot optical response at room temperature. In the second part of the article, we focus on the extrinsic dephasing mechanism of spectral diffusion that determines the quantum dot decoherence at low temperatures. We interpret the variations of both width and shape of the zero-phonon line as due to the fluctuating electrostatic environment. In particular, we demonstrate the existence of a motional narrowing regime in the limit of low incident power or low temperature, thus revealing an unconventional phenomenology compared to nuclear magnetic resonance.

Publié le : 2008-10-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2008.10.009

Keywords: Decoherence, Acoustic phonon, Spectral diffusion, Motional narrowing
Mots-clés : Décohérence, Phonon acoustique, Diffusion spectrale, Rétrécissement par le mouvement

Affiliations des auteurs :

Guillaume Cassabois ^{1, 2} ; Robson Ferreira ^{1, 2}

¹ École normale supérieure, Laboratoire Pierre-Aigrain, 24, rue Lhomond, 75231 Paris cedex 5, France
² CNRS UMR8551, Laboratoire associé aux universités Pierre-et-Marie-Curie et Paris Diderot, France

@article{CRPHYS_2008__9_8_830_0,
     author = {Guillaume Cassabois and Robson Ferreira},
     title = {Dephasing processes in a single semiconductor quantum dot},
     journal = {Comptes Rendus. Physique},
     pages = {830--839},
     publisher = {Elsevier},
     volume = {9},
     number = {8},
     year = {2008},
     doi = {10.1016/j.crhy.2008.10.009},
     language = {en},
}

TY  - JOUR
AU  - Guillaume Cassabois
AU  - Robson Ferreira
TI  - Dephasing processes in a single semiconductor quantum dot
JO  - Comptes Rendus. Physique
PY  - 2008
SP  - 830
EP  - 839
VL  - 9
IS  - 8
PB  - Elsevier
DO  - 10.1016/j.crhy.2008.10.009
LA  - en
ID  - CRPHYS_2008__9_8_830_0
ER  -

%0 Journal Article
%A Guillaume Cassabois
%A Robson Ferreira
%T Dephasing processes in a single semiconductor quantum dot
%J Comptes Rendus. Physique
%D 2008
%P 830-839
%V 9
%N 8
%I Elsevier
%R 10.1016/j.crhy.2008.10.009
%G en
%F CRPHYS_2008__9_8_830_0

Guillaume Cassabois; Robson Ferreira. Dephasing processes in a single semiconductor quantum dot. Comptes Rendus. Physique, Recent advances in quantum dot physics / Nouveaux développements dans la physique des boîtes quantiques, Volume 9 (2008) no. 8, pp. 830-839. doi : 10.1016/j.crhy.2008.10.009. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2008.10.009/

Bibliographie
Cité par

[1] L. Besombes; K. Kheng; L. Marsal; H. Mariette Phys. Rev. B, 63 (2001), p. 155307

[2] I. Favero; G. Cassabois; R. Ferreira; D. Darson; C. Voisin; J. Tignon; C. Delalande; G. Bastard; Ph. Roussignol; J.M. Gérard Phys. Rev. B, 68 (2003), p. 233301

[3] E. Peter; J. Hours; P. Senellart; A. Vasanelli; A. Cavanna; J. Bloch; J.M. Gérard Phys. Rev. B, 69 (2004), p. 041307

[4] P. Borri; W. Langbein; S. Schneider; U. Woggon; R.L. Sellin; D. Ouyang; D. Bimberg Phys. Rev. Lett., 87 (2001), p. 157401

[5] M. Bayer; A. Forchel Phys. Rev. B, 65 (2002), p. 41308

[6] C.B. Duke; G.D. Mahan Phys. Rev., 139 (1965), p. A1965

[7] A. Vagov; V.M. Axt; T. Kuhn Phys. Rev. B, 66 (2002), p. 165312

[8] J. Bylander; I. Robert-Philip; I. Abram Eur. Phys. J. D, 22 (2003), pp. 295-301

[9] S.A. Empedocles; D.J. Norris; M.G. Bawendi Phys. Rev. Lett., 77 (1996), p. 3873

[10] H.D. Robinson; B.B. Goldberg Phys. Rev. B, 61 (2000), p. R5086

[11] V. Türck; S. Rodt; O. Stier; R. Heitz; R. Engelhardt; U.W. Pohl; D. Bimberg; R. Steingrüber Phys. Rev. B, 61 (2000), p. 9944

[12] P. Borri; W. Langbein; U. Woggon; V. Stavarache; D. Reuter; A.D. Wieck Phys. Rev. B, 71 (2005), p. 115328

[13] A. Högele; S. Seidl; M. Kroner; K. Karrai; R.J. Warburton; B.D. Gerardot; P.M. Petroff Phys. Rev. Lett., 93 (2004), p. 217401

[14] C. Kammerer; C. Voisin; G. Cassabois; C. Delalande; Ph. Roussignol; F. Klopf; J.P. Reithmaier; A. Forchel; J.M. Gérard Phys. Rev. B, 66 (2002), p. 041306

[15] I. Favero; A. Berthelot; G. Cassabois; C. Voisin; C. Delalande; Ph. Roussignol; R. Ferreira; J.M. Gérard Phys. Rev. B, 75 (2007), p. 073308

[16] C. Kammerer; G. Cassabois; C. Voisin; M. Perrin; C. Delalande; Ph. Roussignol; J.M. Gérard Appl. Phys. Lett., 81 (2002), p. 2737

[17] B. Urbaszek; E.J. McGhee; M. Krüger; R.J. Warburton; K. Karrai; T. Amand; B.D. Gerardot; P.M. Petroff; J.M. Garcia Phys. Rev. B, 69 (2004), p. 035304

[18] G. Ortner; D.R. Yakovlev; M. Bayer; S. Rudin; T.L. Reinecke; S. Fafard; Z. Wasilewski; A. Forchel Phys. Rev. B, 70 (2004), p. 201301

[19] T. Takagahara Phys. Rev. B, 60 (1999), p. 2638

[20] E.A. Muljarov; R. Zimmermann Phys. Rev. Lett., 93 (2004), p. 237401

[21] R. Kubo A stochastic theory of line-shape and relaxation (D. Ter, ed.), Fluctuation, Relaxation and Resonance in Magnetic Systems, Oliver and Boyd, Edinburgh, 1962, pp. 23-68

[22] A. Berthelot; I. Favero; G. Cassabois; C. Voisin; C. Delalande; Ph. Roussignol; R. Ferreira; J.M. Gérard Nature Phys., 2 (2006), p. 759

Domitille Gérard; Stéphanie Buil; Jean-Pierre Hermier; Aymeric Delteil Crossover from inhomogeneous to homogeneous response of a resonantly driven hBN quantum emitter, Physical Review B, Volume 111 (2025) no. 8 | DOI:10.1103/physrevb.111.085304
Clarisse Fournier; Kenji Watanabe; Takashi Taniguchi; Julien Barjon; Stéphanie Buil; Jean-Pierre Hermier; Aymeric Delteil Investigating the fast spectral diffusion of a quantum emitter in hBN using resonant excitation and photon correlations, Physical Review B, Volume 107 (2023) no. 19 | DOI:10.1103/physrevb.107.195304
S.A. Tovstun; A.V. Gadomska; M.G. Spirin; V.F. Razumov Extracting the homogeneous and inhomogeneous linewidths of colloidal quantum dots from the excitation-emission matrix, Journal of Luminescence, Volume 252 (2022), p. 119420 | DOI:10.1016/j.jlumin.2022.119420
S. Germanis; P. Atkinson; R. Hostein; S. Majrab; F. Margaillan; M. Bernard; V. Voliotis; B. Eble Emission properties and temporal coherence of the dark exciton confined in a GaAs/AlxGa1−xAs quantum dot, Physical Review B, Volume 104 (2021) no. 11 | DOI:10.1103/physrevb.104.115306
M. Triki; S. Jaziri Contribution of piezoelectric and deformation-potential coupling mechanisms on the excitonic line shape of a single GaN/AlN quantum dot, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Volume 106 (2019), p. 334 | DOI:10.1016/j.physe.2018.07.006
Nikolett Német; Scott Parkins; Andreas Knorr; Alexander Carmele Stabilizing quantum coherence against pure dephasing in the presence of time-delayed coherent feedback at finite temperature, Physical Review A, Volume 99 (2019) no. 5 | DOI:10.1103/physreva.99.053809
A. V. Tsukanov; V. G. Chekmachev Implementation of a Two-Qubit C-NOT Quantum Gate in a System of Two Double Quantum Dots, a Microcavity, and a Laser, Russian Microelectronics, Volume 47 (2018) no. 5, p. 279 | DOI:10.1134/s1063739718050074
Didier Felbacq Commentary: Quantum way for metamaterials, Journal of Nanophotonics, Volume 5 (2011) no. 1, p. 050302 | DOI:10.1117/1.3591367
Matthew W. Graham; Ying-Zhong Ma; Alexander A. Green; Mark C. Hersam; Graham R. Fleming Pure optical dephasing dynamics in semiconducting single-walled carbon nanotubes, The Journal of Chemical Physics, Volume 134 (2011) no. 3 | DOI:10.1063/1.3530582
Arnab Ghosh; Sudarson Sekhar Sinha; Deb Shankar Ray Langevin–Bloch equations for a spin bath, The Journal of Chemical Physics, Volume 134 (2011) no. 9 | DOI:10.1063/1.3556706
Guillaume Cassabois Spectral diffusion dephasing and motional narrowing in single semiconductor quantum dots, Optical Generation and Control of Quantum Coherence in Semiconductor Nanostructures, Volume 0 (2010), p. 25 | DOI:10.1007/978-3-642-12491-4_3

Cité par 11 documents. Sources : Crossref

Commentaires - Politique