xxvi
Contents
4 In the Field of Quantum Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.1 Into the Quantum Realm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2 Coherent Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.1 Semiconductor Lasers: From Efficient Nanolasers
to Powerful External–Cavity Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2.2 Novel Coherent Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3 Quantum Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.1 Tailored Light–Matter Interactions for Quantum Light
Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.2 Strong Light–Matter Coupling for Polariton Research . . . . . 115
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5 Optical Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.1 Advanced Optical Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.2 Microscopy and Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.1 Monitoring and Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.2 Spatial Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2.3 Time-Integrated Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2.4 Time-Resolved Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3 Basic Material Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.1 Absorbance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.2 Photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.3 Photocurrent Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.3.4 Raman Signatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.4 Nonlinearities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.4.1 Z-Scans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.4.2 Nonlinear Frequency Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.5 Fourier-Space Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.5.1 Angle-Resolved Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.5.2 Dispersion Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.6 Additional Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.6.1 Beam Characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.6.2 Time-Domain Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.6.3 Laser-Induced Plasma/Breakdown Spectroscopy . . . . . . . . . . 174
5.6.4 Magneto-Optical Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6 Effects of Quantisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.1 Miniaturisation Towards Quantum Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2 From Bulk to Zero-Dimensional Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.2.1 Spatial Confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.2.2 Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.2.3 Discrete Energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.3 Benefits and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.3.1 Charge-Carrier Localisation and Tailored Transitions . . . . . . 198
6.3.2 Impact on Optoelectronics and Nanophotonics . . . . . . . . . . . 199
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
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4 In the Field of Quantum Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.1 Into the Quantum Realm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2 Coherent Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.1 Semiconductor Lasers: From Efficient Nanolasers
to Powerful External–Cavity Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2.2 Novel Coherent Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3 Quantum Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.1 Tailored Light–Matter Interactions for Quantum Light
Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.2 Strong Light–Matter Coupling for Polariton Research . . . . . 115
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5 Optical Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.1 Advanced Optical Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.2 Microscopy and Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.1 Monitoring and Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.2 Spatial Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2.3 Time-Integrated Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2.4 Time-Resolved Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3 Basic Material Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.1 Absorbance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.2 Photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.3 Photocurrent Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.3.4 Raman Signatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.4 Nonlinearities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.4.1 Z-Scans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.4.2 Nonlinear Frequency Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.5 Fourier-Space Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.5.1 Angle-Resolved Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.5.2 Dispersion Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.6 Additional Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.6.1 Beam Characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.6.2 Time-Domain Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.6.3 Laser-Induced Plasma/Breakdown Spectroscopy . . . . . . . . . . 174
5.6.4 Magneto-Optical Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6 Effects of Quantisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.1 Miniaturisation Towards Quantum Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2 From Bulk to Zero-Dimensional Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.2.1 Spatial Confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.2.2 Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.2.3 Discrete Energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.3 Benefits and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.3.1 Charge-Carrier Localisation and Tailored Transitions . . . . . . 198
6.3.2 Impact on Optoelectronics and Nanophotonics . . . . . . . . . . . 199
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203