We review our recent work on multi-dimensional coherent optical spectroscopy (MDCS) of semiconductor nanostructures. Two approaches, appropriate for the study of semiconductor materials, are presented and compared. A first method is based on a non-collinear geometry, where the Four-Wave-Mixing (FWM) signal is detected in the form of a radiated optical field. This approach works for samples with translational symmetry, such as Quantum Wells (QWs) or large and dense ensembles of Quantum Dots (QDs). A second method detects the FWM in the form of a photocurrent in a collinear geometry. This second approach extends the horizon of MDCS to sub-diffraction nanostructures, such as single QDs, nanowires, or nanotubes, and small ensembles thereof. Examples of experimental results obtained on semiconductor QW structures are given for each method. In particular, it is shown how MDCS can assess coupling between excitons confined in separated QWs.
References
1.
S. T.
Cundiff
and S.
Mukamel
, Phys. Today
66
(7
), 44
(2013
).2.
M. E.
Siemens
, G.
Moody
, H.
Li
, A. D.
Bristow
, and S. T.
Cundiff
, Opt. Express
18
, 17699
(2010
).3.
R.
Singh
, T. M.
Autry
, G.
Nardin
, G.
Moody
, H.
Li
, K.
Pierz
, M.
Bieler
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. B
88
, 045304
(2013
).4.
G.
Moody
, M. E.
Siemens
, A. D.
Bristow
, X.
Dai
, D.
Karaiskaj
, A. S.
Bracker
, D.
Gammon
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. B
83
, 115324
(2011
).5.
G.
Moody
, M. E.
Siemens
, A. D.
Bristow
, X.
Dai
, A. S.
Bracker
, D.
Gammon
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. B
83
, 245316
(2011
).6.
G.
Moody
, R.
Singh
, H.
Li
, I. A.
Akimov
, M.
Bayer
, D.
Reuter
, A. D.
Wieck
, A. S.
Bracker
, D.
Gammon
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. B
87
, 041304
(2013
).7.
T.
Suzuki
, R.
Singh
, I.
Akimov
, M.
Bayer
, D.
Reuter
, A.
Wieck
, and S. T.
Cundiff
, in 19th International Conference on Ultrafast Phenomena
, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America
, 2014
), p. 07.Mon.C.3
.8.
A. D.
Bristow
, D.
Karaiskaj
, X.
Dai
, R. P.
Mirin
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. B
79
, 161305
(2009
).9.
X.
Li
, T.
Zhang
, C. N.
Borca
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. Lett.
96
, 057406
(2006
).10.
D. B.
Turner
, P.
Wen
, D. H.
Arias
, K. A.
Nelson
, H.
Li
, G.
Moody
, M. E.
Siemens
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. B
85
, 201303
(2012
).11.
R.
Ernst
, G.
Bodenhausen
, and A.
Wokaun
, Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions
(Clarendon Press/Oxford University Press
, Oxford/New York
, 1987
).12.
D.
Jonas
, Annu. Rev. Phys. Chem.
54
, 425
(2003
).13.
M. C.
Asplund
, M. T.
Zanni
, and R. M.
Hochstrasser
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
97
, 8219
(2000
).14.
S.
Woutersen
and P.
Hamm
, J. Phys.: Condens. Matter
14
, R1035
(2002
).15.
M.
Khalil
, N.
Demirdöven
, and A.
Tokmakoff
, J. Phys. Chem. A
107
, 5258
(2003
).16.
T.
Brixner
, J.
Stenger
, H. M.
Vaswani
, M.
Cho
, R. E.
Blankenship
, and G. R.
Fleming
, Nature
434
, 625
(2005
).17.
X.
Dai
, A. D.
Bristow
, D.
Karaiskaj
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. A
82
, 052503
(2010
).18.
H.
Li
, A. D.
Bristow
, M. E.
Siemens
, G.
Moody
, and S. T.
Cundiff
, Nat. Commun.
4
, 1390
(2013
).19.
P.
Hamm
and M.
Zanni
, Concepts and Methods of 2D Infrared Spectroscopy
(Cambridge University Press
, Cambridge, UK; New York
, 2011
).20.
E. M.
Grumstrup
, S.-H.
Shim
, M. A.
Montgomery
, N. H.
Damrauer
, and M. T.
Zanni
, Opt. Express
15
, 16681
(2007
).21.
D. B.
Turner
, K. W.
Stone
, K.
Gundogdu
, and K. A.
Nelson
, Rev. Sci. Instrum.
82
, 081301
(2011
).22.
C. R.
Hall
, J. O.
Tollerud
, H. M.
Quiney
, and J. A.
Davis
, New J. Phys.
15
, 045028
(2013
).23.
P.
Borri
, W.
Langbein
, S.
Schneider
, U.
Woggon
, R. L.
Sellin
, D.
Ouyang
, and D.
Bimberg
, Phys. Rev. Lett.
87
, 157401
(2001
).24.
A. D.
Bristow
, D.
Karaiskaj
, X.
Dai
, T.
Zhang
, C.
Carlsson
, K. R.
Hagen
, R.
Jimenez
, and S. T.
Cundiff
, Rev. Sci. Instrum.
80
, 073108
(2009
).25.
G.
Nardin
, T. M.
Autry
, K. L.
Silverman
, and S. T.
Cundiff
, Opt. Express
21
, 28617
(2013
).26.
X.
Dai
, M.
Richter
, H.
Li
, A. D.
Bristow
, C.
Falvo
, S.
Mukamel
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. Lett.
108
, 193201
(2012
).27.
L.
Yang
and S.
Mukamel
, Phys. Rev. Lett.
100
, 057402
(2008
).28.
K. W.
Stone
, K.
Gundogdu
, D. B.
Turner
, X.
Li
, S. T.
Cundiff
, and K. A.
Nelson
, Science
324
, 1169
(2009
).29.
D.
Karaiskaj
, A. D.
Bristow
, L.
Yang
, X.
Dai
, R. P.
Mirin
, S.
Mukamel
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. Lett.
104
, 117401
(2010
).30.
G.
Moody
, I.
Akimov
, H.
Li
, R.
Singh
, D.
Yakovlev
, G.
Karczewski
, M.
Wiater
, T.
Wojtowicz
, M.
Bayer
, and S.
Cundiff
, Phys. Rev. Lett.
112
, 097401
(2014
).31.
P.
Tian
, D.
Keusters
, Y.
Suzaki
, and W. S.
Warren
, Science
300
, 1553
(2003
).32.
G.
Nardin
, G.
Moody
, R.
Singh
, T. M.
Autry
, H.
Li
, F.
Morier-Genoud
, and S. T.
Cundiff
, Phys. Rev. Lett.
112
, 046402
(2014
).33.
X.
Li
, T.
Zhang
, S.
Mukamel
, R. P.
Mirin
, and S. T.
Cundiff
, Solid State Commun.
149
, 361
(2009
).34.
J. O.
Tollerud
, C. R.
Hall
, and J. A.
Davis
, Opt. Express
22
, 6719
(2014
).35.
T.
Zhang
, C.
Borca
, X.
Li
, and S.
Cundiff
, Opt. Express
13
, 7432
(2005
).36.
M.
Aeschlimann
, T.
Brixner
, A.
Fischer
, C.
Kramer
, P.
Melchior
, W.
Pfeiffer
, C.
Schneider
, C.
Strüber
, P.
Tuchscherer
, and D. V.
Voronine
, Science
333
, 1723
(2011
).37.
P. F.
Tekavec
, G. A.
Lott
, and A. H.
Marcus
, J. Chem. Phys.
127
, 214307
(2007
).38.
The collinear geometry is necessary in the case of an extended sample such as a semiconductor QW, for non-collinear excitation beams would create a spatial population grating. The contrast of the photocurrent readout would then be degraded or even suppressed, as the total signal would be an average over the extension of the population grating.
39.
W.
Langbein
and B.
Patton
, Opt. Lett.
31
, 1151
(2006
).40.
S. T.
Cundiff
and J.
Ye
, Rev. Mod. Phys.
75
, 325
(2003
).41.
A.
Zrenner
, E.
Beham
, S.
Stufler
, F.
Findeis
, M.
Bichler
, and G.
Abstreiter
, Nature
418
, 612
(2002
).42.
M.
Zecherle
, C.
Ruppert
, E. C.
Clark
, G.
Abstreiter
, J. J.
Finley
, and M.
Betz
, Phys. Rev. B
82
, 125314
(2010
).43.
J.
Wang
, M. S.
Gudiksen
, X.
Duan
, Y.
Cui
, and C. M.
Lieber
, Science
293
, 1455
(2001
).44.
L.
Cao
, J. S.
White
, J.-S.
Park
, J. A.
Schuller
, B. M.
Clemens
, and M. L.
Brongersma
, Nat. Mater.
8
, 643
(2009
).45.
P.
Krogstrup
, H. I.
Jørgensen
, M.
Heiss
, O.
Demichel
, J. V.
Holm
, M.
Aagesen
, J.
Nygard
, and A.
Fontcuberta i Morral
, Nature Photon.
7
, 306
(2013
).46.
W.
Bao
, M.
Melli
, N.
Caselli
, F.
Riboli
, D. S.
Wiersma
, M.
Staffaroni
, H.
Choo
, D. F.
Ogletree
, S.
Aloni
, J.
Bokor
, S.
Cabrini
, F.
Intonti
, M. B.
Salmeron
, E.
Yablonovitch
, P. J.
Schuck
, and A.
Weber-Bargioni
, Science
338
, 1317
(2012
).47.
J.
Kasprzak
, B.
Patton
, V.
Savona
, and W.
Langbein
, Nat. Photon.
5
, 57
(2011
).48.
N. M.
Gabor
, Z.
Zhong
, K.
Bosnick
, and P. L.
McEuen
, Phys. Rev. Lett.
108
, 087404
(2012
).49.
R.
Agarwal
, B. S.
Prall
, A. H.
Rizvi
, M.
Yang
, and G. R.
Fleming
, J. Chem. Phys.
116
, 6243
(2002
).50.
T. A. A.
Oliver
, N. H. C.
Lewis
, and G. R.
Fleming
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
111
, 10061
(2014
).51.
A. A.
Bakulin
, A.
Rao
, V. G.
Pavelyev
, P. H. M. v.
Loosdrecht
, M. S.
Pshenichnikov
, D.
Niedzialek
, J.
Cornil
, D.
Beljonne
, and R. H.
Friend
, Science
335
, 1340
(2012
).52.
G.
Moody
, R.
Singh
, H.
Li
, I.
Akimov
, M.
Bayer
, D.
Reuter
, A.
Wieck
, and S.
Cundiff
, Solid State Commun.
163
, 65
(2013
).© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
