פרופסור דוד גרשוני הפקולטה לפיסיקה והמכון למצב מוצק בטכניון

1. מסובבים את הספין האלקטרוניSpinning the Electronic Spinאואופטיקה קוואנטית באמצעות מבנים ננומטריים של מוליכים למחצה פרופסור דוד גרשוני הפקולטה לפיסיקה והמכון למצב מוצק בטכניון

2. מוטיבציה • מוליכים למחצה הם הבסיס לאלקטרוניקה, תקשורת, אחסון מידע ומחשוב עכשוויים. אלה מעצבים למעשה את פני החברה שלנו. • הסיבות לחשיבותם הטכנולוגית: שליטה מדויקת בהולכת המטען החשמלי עד לרמה של אלקטרון בודד והאפשרות להשתמש בהם כגלאי אור וכמקורות של אור עד לרמה של פוטון בודד • החזית האחרונה תושג כאשר ניתן יהיה לשלוט גם בדרגת החופש הפנימית של האלקטרון – הספין האלקטרוני. עיבוד מידע קוואנטי

3. הספין האלקטרוני z כוונו של ציר הסיבוב במרחב ניתן לתיאור בעזרת שתי זויותθ,φ הסיבוב יכול להיות בכיוון ימני "ספין אפ" או בכיוון שמאלי "ספין דאון" שני מצבי הספין מערכת פיסיקלית בעלת 2 רמות θ y φ x

4. הספין האלקטרוני – ביט קוואנטי • Ψמצב הספין מתואר כנקודה על כדור בלוך, מוגדרת לחלוטין של ידי שתי הזוויות φ, θ • ביט קלאסי: 0 או 1(רק הקטבים), ביט קוואנטי כל האינפורמציה בכדור בלוך

5. Wave-particle duality! The essence of quantum mechanics חלקיק של אור או פוטון (איינשטיין) 1905 האפקט :הפוטואלקטרי

6. קיטוב של אור קיטוב אנכי קיטוב אופקי אור (קרינה אלקטרומגנטית) הינו שינוי מחזורי בשדה החשמלי (והמגנטי) אשר כיוונו ניצב תמיד לכיוון התקדמותו של האור בתדר f ובאורך גל ג כאשר . קיטוב האור מוגדר ככוונו של השדה חשמלי של האור. באדיבות:AndrásSzilágyi Institute of Enzymology, Hungary

7. קיטוב של אור קיטוב לינארי אופקי וניצב באותו מופע קיטוב מעגלי אופקי וניצב מופע הפוך קיטוב כללי - אליפטי אופקי וניצב במופע כלשהו

8. פולריזציה וכדור פואנקרה R s3 גם הקיטוב של האור וגם כוון (קיטוב) הספין האלקטרוני ניתנים לתיאור כנקודה על פני כדור. V s2 2χ s1 D 2ψ ψ H H χ L כדור פואנקרה אליפסת הפולריזציה פוטון הוא קיוביט "מעופף"! ישנו פקטור 2 בין הזוויות בשתי ההצגות – הקיטוב חוזר על עצמו אחרי סיבוב של 180 מעלות

9. מטרת העבודה • גיבוש כלים המאפשרים לשלוט בספין האלקטרוני. • ובמיוחד: להשתמש באינפורמציה קוואנטית האצורה בקיטוב האור (אותו ניתן להעביר מרחקים אדירים מבלי שתיפגע) על מנת להעתיקה לחומר בו ניתן לערוך בעזרתה חישובים "קוואנטיים". נראה שהצלחנובאמצעות הבזק (פולס) יחיד של אור: • לקבוע (לרשום) את הספין האלקטרוני. • למדוד (לקרוא) את הספין האלקטרוני. • לסובב את כיוון הספין האלקטרוני כרצוננו.

10. מוליכים למחצה Energy • מוליך למחצה הוא מבנה מחזורי של אטומים או מולקולות. • כתוצאה מהמבנה המחזורי לאלקטרונים יש פסי אנרגיה שאותם הם יכולים לאכלס. • מל"מ מאופיינים בכך שבטמפרטורה אפס יש להם פס אנרגיה עליון אשר עד אליו כל מצבי האלקטרונים מלאים ומעליו כל הפסים ריקים לחלוטין מאלקטרונים. במצב זה המל"מים הם מבודדים. • באמצעים חיצוניים, (טמפרטורה, אור, שדה חשמלי, סימום), ניתן להעביר אלקטרונים מהפסים המלאים לפסים הריקים וכך להפכם למוליכים. Energy Energy Momentum

11. נקודות קוונטיות ממוליך למחצה 5 nm T. D. Ladd et. al, Nature 464, 45-53 (2010)

12. Electron energy level קוואנטיזציה של רמות תנאי שפה: הגל מתאפס עליה - גל עומד - אורכי גל בדידים- רמות אנרגיה בדידות

13. classical vs. non-classical photon source Classical light source such as lamp emits photons according to poisson statistics, i.,e, the probability to emit consecutive photons is independent of the time interval between two consecutive emissions. In contrast, deterministic (or triggered) single photon source emits just one photon at a given interval. Deterministic source of single photons may be applicable to quantum information processing and quantum cryptography. Manipulation of the quantum-statistical properties of photons with various non-classical sources is at the heart of quantum optics.

14. פליטת אור (פוטולומינסנציה) מנקודה קוואנטית – "אטום מלאכותי" רמות אנרגיה דיסקרטיות פס ההולכה ריק מאלקטרונים ספין בלבד ½± L פליטה כתוצאה מרקומבינציה של אלקטרון וחור L תנע זוויתי מסלולי (±1) וספין (½±) סך הכל: ±3/2 פס הערכיות מלא באלקטרונים (ריק מחורים)

15. H V Bright exciton energy levels Anisotropic electron-hole exchange – non degenerate 2 level system-qubit Bright Exciton V Δ1 ≈ 0.03meV H Energy (eV)

16. מדידת פוטולומינסנציה לייזר מצלמת CCD מונוכרומטור עדשת אובייקטיב

17. ספקטרום פליטה מקוטב של נקודה קוואנטית בודדת ΔE = 34 μeV PL intensity (cts/sec) Energy (eV) • Akopian et al, “EtangledPhoton Pairs from Semiconductor Quantum Dots" PRL 96, 103501, (2006).

18. כתיבה וקריאה אופטית של מצב הספין של אקסיטון בנקודה קוואנטית בודדת כדור פואנקרה כדור בלוך של הספין האלקטרוני

19. כתיבת הספין של האלקטרוני בעזרת הפולס הראשון |V> ∆E=34µeV |H> |H> |V> כדור פואנקרה כדור בלוך X0 H V Energy (eV)

20. 'קריאה' של הספין בעזרת הפולס השני Like עקרון האיסור של פאולי אינו מאפשר ששני אלקטרונים יהיו באותו מצב בדיוק XX0 Energy (eV) Benny, Khatsevich, Kodrianoet. alPRL106 40504 (2010)

21. TsunamiTM Ti:Sa writing Lock-in amplifier 2ps dye laser readout chopper dye laser control cΔτ/2 Exciton control experimental setup

22. Measured Life and coherence time of the resonantly excited bright exciton 470 ps The polarization (coherence) of the resonantly excited BE does not decay during 5 times its radiative lifetime

23. קריאת מצב הספין בקיטובים שונים Y. Benny et. al Phys. Rev. Lett. 106, 040504 (2011)

24. הדגמה של קריאה וכתיבה בקיטוב כללי

25. פולסים אופטיים עם שטח של π ו-2π • לפולס אופטי יש שדה חשמלי הפועל על מערכת שתי רמות ומשרה מעברים בין שתי הרמות. • פולס ריזונטיבי מעביר את כל המצב מ- |0> ל- |1> נקרא פולס עם שטח של π. • פולס ריזונטיבישמעביר את כל המצב מ- |0> ל- |1>וחזרה ל- |0> נקרא פולס עם שטח של 2π.במקרה הזה פאזה של π נצברת.

26. אוסצילציות רבי (Rabi) ופאזה גיאומטרית XX0* ליד הרזוננס X0 → eiδ∙X0 הפאזה δתלויה במרחק מהרזוננס ברזוננס X0 → eiπX0= -X0 הפאזה שווה למחצית הזווית המרחבית הכלואה במסלול על כדור בלוך 2π π X0

27. Geometric phase (η) of an hyperbolic-secant pulse t Poem, Kenneth, Kodrianoet. al PRL (2011)

28. שליטה בספין על כדור בלוך

29. סיבוב הספין ב-180מעלות סביב כיוון קיטוב האור בעירור ריזונטיבי

30. סיבוב הספין ב-זווית משתנה סביב כיוון קיטוב האור בעירור לא-ריזונטיבי שינוי האנרגיה של הפולס (הצבע) משנה את הזוית בה אנו מסובבים את הספין

34. סיכום • הראנו בניסוי כי ניתן לשלוט שליטה מוחלטת באמצעים אופטיים בספין האלקטרוני. בכך הדגמנו קיוביט בחומר מוליך למחצה. • הסברתי כיצד: • העברנו ישירות את הקיטוב של האור לקיטוב הספין של אלקטרון בנקודה קוואנטית מוליכה למחצה. • מדדנו את מצבו של הספין בעזרת פולס אופטי בודד • סובבנו את כיוון הספין האלקטרוני בעזרת פולס יחיד שגורם לעירור ולפליטה מאולצת בו זמנית (פולס-2π).

35. שותפים לעבודה דר' ירון קודריאנו דר' אילון פועם דר' יעל בני עידו שוורץ לירון גנץ רוני פרסמן אמה שמידגל דן קוגן אלי בורדו ירוסלב דון דמיטרי גלושקו – מהנדס מעבדה

36. Our group main past achievements • The first to address optically a single semiconductor quantum dots(PRL 1998) • The first to show that a semiconductor quantum dot is a single photon source (MRS 1999, PRB 2000) • The first to show that a semiconductor quantum dot emit entangled photon pairs. ( PRL 2006) • The first to show that the spin state of the QD can be “written” using one single optical pulse. (PRL 2011) • The first to show that with one resonant optical pulse the spin state can be universally gated. (PRL 2011, PRB 2012) • The first to show that the optically forbidden “dark” exciton in QDs is a coherent qubit (Nature Physics 2010) • Recently measured DE coherence longer than 100nsec. We demonstrate its entanglement with emitted photon we deterministically “write” its spin state and demonstrated universal gating of its state. (submitted August… 2013) Thanks for your attention!