We study the potential for controlled transfer of population to the biexciton state of a semiconductor quantum dot coupled with a metal nanoparticle, under the influence of an electromagnetic pulse with hyperbolic secant shape, and derive analytical solutions of the density matrix equations for both zero and nonzero biexciton energy shifts. These solutions lead to efficient transfer to the biexciton state for various interparticle distances including relatively small values. In certain cases, when the distance between the two particles is small, the transfer of population is strongly modified because of the influence of surface plasmons to the excitons, and the effect is more pronounced for shorter pulses. The hybrid nanostructure that we study has been proposed for generating efficient polarization-entangled photons, and thus, the successful biexciton state preparation considered here is expected to contribute in this line of research.

1.
M. S.
Tame
,
K. R.
McEnery
,
S. K.
Ozdemir
,
J.
Lee
,
S. A.
Maier
, and
M. S.
Kim
,
Nat. Phys.
9
,
329
(
2013
).
2.
B.
Szychowski
,
M.
Pelton
, and
M. C.
Daniel
,
Nanophotonics
8
,
517
(
2019
).
3.
M.-T.
Cheng
,
S.-D.
Liu
,
H.-J.
Zhou
,
Z.-H.
Hao
, and
Q.-Q.
Wang
,
Opt. Lett.
32
,
2125
(
2007
).
4.
S. M.
Sadeghi
,
Phys. Rev. B
79
,
233309
(
2009
).
5.
S. M.
Sadeghi
,
Phys. Rev. B
82
,
035413
(
2010
).
6.
B. S.
Nugroho
,
A. A.
Iskandar
,
V. A.
Malyshev
, and
J.
Knoester
,
J. Chem. Phys.
139
,
014303
(
2013
).
7.
F.
Carreño
,
M. A.
Antón
, and
E.
Paspalakis
,
J. Appl. Phys.
124
,
113107
(
2018
).
8.
M. A.
Antón
,
F.
Carreño
,
S.
Melle
,
O. G.
Calderón
,
E.
Cabrera-Granado
,
J.
Cox
, and
M. R.
Singh
,
Phys. Rev. B
86
,
155305
(
2012
).
9.
M. A.
Antón
,
F.
Carreño
,
S.
Melle
,
O. G.
Calderón
,
E.
Cabrera-Granado
, and
M. R.
Singh
,
Phys. Rev. B
87
,
195303
(
2013
).
10.
E.
Paspalakis
,
S.
Evangelou
, and
A. F.
Terzis
,
Phys. Rev. B
87
,
235302
(
2013
).
11.
W. X.
Yang
,
A. X.
Chen
,
Z.
Huang
, and
R. K.
Lee
,
Opt. Express
23
,
13032
(
2015
).
12.
R. J.
McMillan
,
L.
Stella
, and
M.
Grüning
,
Phys. Rev. B
94
,
125312
(
2016
).
13.
Y.
Qi
,
C.-C.
Shu
,
D.-Y.
Dong
,
I. R.
Petersen
,
K.
Jacobs
, and
S.-Q.
Gong
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
52
,
425101
(
2019
).
14.
A.
Smponias
,
D.
Stefanatos
, and
E.
Paspalakis
,
J. Appl. Phys.
129
,
123107
(
2021
).
15.
W.
Zhang
,
A. O.
Govorov
, and
G. W.
Bryant
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
146804
(
2006
).
16.
J.-Y.
Yan
,
W.
Zhang
,
S.-Q.
Duan
,
X.-G.
Zhao
, and
A. O.
Govorov
,
Phys. Rev. B
77
,
165301
(
2008
).
17.
A.
Mohammadzadeh
and
M.
Miri
,
J. Appl. Phys.
123
,
043111
(
2018
).
18.
R. D.
Artuso
and
G. W.
Bryant
,
Phys. Rev. B
82
,
195419
(
2010
).
19.
A. V.
Malyshev
and
V. A.
Malyshev
,
Phys. Rev. B
84
,
035314
(
2011
).
20.
A.
Hatef
,
S. M.
Sadeghi
, and
M. R.
Singh
,
Nanotechnology
23
,
205203
(
2012
).
21.
S. G.
Kosionis
,
A. F.
Terzis
,
S. M.
Sadeghi
, and
E.
Paspalakis
,
J. Phys.: Condens. Matter
25
,
045304
(
2013
).
22.
D.-X.
Zhao
,
Y.
Gu
,
J.
Wu
,
J.-X.
Zhang
,
T.-C.
Zhang
,
B. D.
Gerardot
, and
Q.-H.
Gong
,
Phys. Rev. B
89
,
245433
(
2014
).
23.
D.
Schindel
and
M. R.
Singh
,
J. Phys.: Condens. Matter
27
,
345301
(
2015
).
24.
S. G.
Kosionis
and
E.
Paspalakis
,
J. Phys. Chem. C
123
,
7308
(
2019
).
25.
Y.
You
,
Y.-H.
Qi
,
Y.-P.
Niu
, and
S.-Q.
Gong
,
J. Phys.: Condens. Matter
31
,
105801
(
2019
).
26.
M. R.
Singh
and
S.
Yastrebov
,
J. Phys. Chem. C
124
,
12065
(
2020
).
27.
T.
Flissikowski
,
A.
Betke
,
I. A.
Akimov
, and
F.
Henneberger
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
227401
(
2004
).
28.
I. A.
Akimov
,
J. T.
Andrews
, and
F.
Henneberger
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
067401
(
2006
).
29.
S.
Stufler
,
P.
Machnikowski
,
P.
Ester
,
M.
Bichler
,
V. M.
Axt
,
T.
Kuhn
, and
A.
Zrenner
,
Phys. Rev. B
73
,
125304
(
2006
).
30.
H. Y.
Hui
and
R. B.
Liu
,
Phys. Rev. B
78
,
155315
(
2008
).
31.
P.
Machnikowski
,
Phys. Rev. B
78
,
195320
(
2008
).
32.
E.
Paspalakis
,
J. Comput. Theor. Nanosci.
7
,
1717
(
2010
).
33.
M.
Glässl
,
A.
Barth
,
K.
Gawarecki
,
P.
Machnikowski
,
M. D.
Croitoru
,
S.
Lüker
,
D. E.
Reiter
,
T.
Kuhn
, and
V. M.
Axt
,
Phys. Rev. B
87
,
085303
(
2013
).
34.
A.
Debnath
,
C.
Meier
,
B.
Chatel
, and
T.
Amand
,
Phys. Rev. B
88
,
201305(R)
(
2013
).
35.
G.
Bensky
,
S. V.
Nair
,
H. E.
Ruda
,
S.
Dasgupta
,
G.
Kurizki
, and
P.
Brumer
,
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.
46
,
055503
(
2013
).
36.
D. E.
Reiter
,
T.
Kuhn
,
M.
Glässl
, and
V. M.
Axt
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
423203
(
2014
).
37.
P.-L.
Ardelt
,
L.
Hanschke
,
K. A.
Fischer
,
K.
Müller
,
A.
Kleinkauf
,
M.
Koller
,
A.
Bechtold
,
T.
Simmet
,
J.
Wierzbowski
,
H.
Riedl
,
G.
Abstreiter
, and
J. J.
Finley
,
Phys. Rev. B
90
,
241404(R)
(
2014
).
38.
J. H.
Quilter
,
A. J.
Brash
,
F.
Liu
,
M.
Glässl
,
A. M.
Barth
,
V. M.
Axt
,
A. J.
Ramsay
,
M. S.
Skolnick
, and
A. M.
Fox
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
137401
(
2015
).
39.
S.
Bounouar
,
M.
Müller
,
A. M.
Barth
,
M.
Glässl
,
V. M.
Axt
, and
P.
Michler
,
Phys. Rev. B
91
,
161302(R)
(
2015
).
40.
T.
Kaldewey
,
S.
Lüker
,
A. V.
Kuhlmann
,
S. R.
Valentin
,
A.
Ludwig
,
A. D.
Wieck
,
D. E.
Reiter
,
T.
Kuhn
, and
R. J.
Warburton
,
Phys. Rev. B
95
,
161302(R)
(
2017
).
41.
D.
Stefanatos
and
E.
Paspalakis
,
Phys. Rev. A
102
,
052618
(
2020
).
42.
H.
Jayakumar
,
A.
Predojević
,
T.
Huber
,
T.
Kauten
,
G. S.
Solomon
, and
G.
Weihs
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
135505
(
2013
).
43.
M.
Müller
,
S.
Bounouar
,
K. D.
Jöns
,
M.
Glässl
, and
P.
Michler
,
Nat. Photon.
8
,
224
(
2014
).
44.
D.
Heinze
,
D.
Breddermann
,
A.
Zrenner
, and
S.
Schumacher
,
Nat. Commun.
6
,
8473
(
2015
).
45.
R.
Winik
,
D.
Cogan
,
Y.
Don
,
I.
Schwartz
,
L.
Gantz
,
E. R.
Schmidgall
,
N.
Livneh
,
R.
Rapaport
,
E.
Buks
, and
D.
Gershoni
,
Phys. Rev. B
95
,
235435
(
2017
).
46.
D.
Huber
,
M.
Reindl
,
Y.-H.
Huo
,
H.-Y.
Huang
,
J. S.
Wildmann
,
O. G.
Schmidt
,
A.
Rastelli
, and
R.
Trotta
,
Nat. Commun.
8
,
15506
(
2017
).
47.
Y.
Chen
,
M.
Zopf
,
R.
Keil
,
F.
Ding
, and
O. G.
Schmidt
,
Nat. Commun.
9
,
2994
(
2018
).
48.
I. S.
Maksymov
,
A. E.
Miroshnichenko
, and
Y. S.
Kivshar
,
Phys. Rev. A
86
,
011801
(
2012
).
49.
K.
Matsuzaki
,
S.
Vassant
,
H.-W.
Liu
,
A.
Dutschke
,
B.
Hoffmann
,
X.
Chen
,
S.
Christiansen
,
M. R.
Buck
,
J. A.
Hollingsworth
,
S.
Götzinger
, and
V.
Sandoghdar
,
Sci. Rep.
7
,
42307
(
2017
).
50.
V.
Krivenkov
,
S.
Goncharov
,
P.
Samokhvalov
,
A.
Sanchez-Iglesias
,
M.
Grzelczak
,
I.
Nabiev
, and
Y.
Rakovich
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
481
(
2019
).
51.
B. S.
Nugroho
,
A. A.
Iskandar
,
V. A.
Malyshev
, and
J.
Knoester
,
Phys. Rev. B
99
,
075302
(
2019
).
52.
B. S.
Nugroho
,
V. A.
Malyshev
, and
J.
Knoester
,
Phys. Rev. B
92
,
165432
(
2015
).
53.
E.
Paspalakis
,
Z.
Kis
,
E.
Voutsinas
, and
A. F.
Terzis
,
Phys. Rev. B
69
,
155316
(
2004
).
54.
Z.
Kis
and
E.
Paspalakis
,
J. Appl. Phys.
96
,
3435
(
2004
).
55.
S. E.
Economou
,
L. J.
Sham
,
Y.
Wu
, and
D. G.
Steel
,
Phys. Rev. B
74
,
205415
(
2006
);
S. E.
Economou
and
T. L.
Reinecke
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
217401
(
2007
);
[PubMed]
S. E.
Economou
,
Phys. Rev. B
85
,
241401(R)
(
2012
).
56.
G. S.
Barron
,
F. A.
Calderon-Vargas
,
J.-L.
Long
,
D. P.
Pappas
, and
S. E.
Economou
,
Phys. Rev. B
101
,
054508
(
2020
).
57.
A.
Greilich
,
S. E.
Economou
,
S.
Spatzek
,
D. R.
Yakovlev
,
D.
Reuter
,
A. D.
Wieck
,
T. L.
Reinecke
, and
M.
Bayer
,
Nat. Phys.
5
,
262
(
2009
).
58.
E.
Poem
,
O.
Kenneth
,
Y.
Kodriano
,
Y.
Benny
,
S.
Khatsevich
,
J. E.
Avron
, and
D.
Gershoni
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
087401
(
2011
).
59.
H. S.
Ku
,
J. L.
Long
,
X.
Wu
,
M.
Bal
,
R. E.
Lake
,
E.
Barnes
,
S. E.
Economou
, and
D. P.
Pappas
,
Phys. Rev. A
96
,
042339
(
2017
).
60.
E.
Paspalakis
,
A.
Kalini
, and
A. F.
Terzis
,
Phys. Rev. B
73
,
073305
(
2006
).
61.
S. M.
Sadeghi
,
A.
Hatef
,
S.
Fortin-Deschenes
, and
M.
Meunier
,
Nanotechnology
24
,
205201
(
2013
).
62.
A.
Hatef
,
S. M.
Sadeghi
,
E.
Boulais
, and
M.
Meunier
,
Nanotechnology
24
,
015502
(
2013
).
63.
H. T.
Dung
,
L.
Knöll
, and
D.-G.
Welsch
,
Phys. Rev. A
57
,
3931
(
1998
).
64.
R. C.
Ge
,
C.
Van Vlack
,
P.
Yao
,
J. F.
Young
, and
S.
Hughes
,
Phys. Rev. B
87
,
205425
(
2013
).
65.
X.-W.
Chen
,
V.
Sandoghdar
, and
M.
Agio
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
153605
(
2013
).
66.
A.
Delga
,
J.
Feist
,
J.
Bravo-Abad
, and
F. J.
Garcia-Vidal
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
253601
(
2014
).
67.
M. A.
Antón
,
F.
Carreño
,
O. G.
Calderón
,
S.
Melle
, and
E.
Cabrera
,
J. Opt.
18
,
025001
(
2016
).
68.
F.
Carreño
,
M. A.
Antón
,
V.
Yannopapas
, and
E.
Paspalakis
,
Phys. Rev. A
100
,
023802
(
2019
).
69.
L.
Hayati
,
C.
Lane
,
B.
Barbiellini
,
A.
Bansil
, and
H.
Mosallaei
,
Phys. Rev. B
93
,
245411
(
2016
).
70.
K.
Lopata
and
D.
Neuhauser
,
J. Chem. Phys.
130
,
104707
(
2009
).
71.
M.
Sukharev
and
S. A.
Malinovskaya
,
Phys. Rev. A
86
,
043406
(
2012
).
72.
R. A.
Shah
,
N. F.
Scherer
,
M.
Pelton
, and
S. K.
Gray
,
Phys. Rev. B
88
,
075411
(
2013
).
73.
L.
Schneebeli
,
T.
Feldtmann
,
M.
Kira
,
S. W.
Koch
, and
N.
Peyghambarian
,
Phys. Rev. A
81
,
053852
(
2010
).
74.
P. B.
Johnson
and
R. W.
Christy
,
Phys. Rev. B
6
,
4370
(
1972
).
75.
S. L.
Sewall
,
A.
Franceschetti
,
R. R.
Cooney
,
A.
Zunger
, and
P.
Kambhampati
,
Phys. Rev. B
80
,
081310(R)
(
2009
).
76.
Z.
Kis
and
E.
Paspalakis
,
Phys. Rev. B
69
,
024510
(
2004
).
77.
N.
Rosen
and
C.
Zener
,
Phys. Rev.
40
,
502
(
1932
).
78.
You do not currently have access to this content.