Quantum communication relies on the availability of light pulses with strong quantum correlations among photons. An example of such an optical source is a single-photon pulse with a vanishing probability for detecting two or more photons. Using pulsed laser excitation of a single quantum dot, a single-photon turnstile device that generates a train of single-photon pulses was demonstrated. For a spectrally isolated quantum dot, nearly 100% of the excitation pulses lead to emission of a single photon, yielding an ideal single-photon source.

The 2D–3D growth mode transition during the initial stages of growth of highly strained InGaAs on GaAs is used to obtain quantum-sized dot structures. Transmission electron micrographs reveal that when the growth of In0.5Ga0.5As is interrupted exactly at the onset of this 2D–3D transition, dislocation-free islands (dots) of the InGaAs result. Size distributions indicate that these dots are ∼300 Å in diameter and remarkably uniform to within 10% of this average size. The areal dot densities can be varied between 109 and 1011 cm−2. The uniformity of the dot sizes is explained by a mechanism based on reduction in adatom attachment probabilities due to strain. We unambiguously demonstrate photoluminescence at ∼1.2 eV from these islands by comparing samples with and without dots. The luminescent intensities of the dots are greater than or equal to those of the underlying reference quantum wells.

A model is presented to explain the formation and morphologies of surfactant-silicate mesostructures. Three processes are identified: multidentate binding of silicate oligomers to the cationic surfactant, preferential silicate polymerization in the interface region, and charge density matching between the surfactant and the silicate. The model explains present experimental data, including the transformation between lamellar and hexagonal mesophases, and provides a guide for predicting conditions that favor the formation of lamellar, hexagonal, or cubic mesostructures. Model Q(230) proposed by Mariani and his co-workers satisfactorily fits the x-ray data collected on the cubic mesostructure material. This model suggests that the silicate polymer forms a unique infinite silicate sheet sitting on the gyroid minimal surface and separating the surfactant molecules into two disconnected volumes.

Using atomic force microscopy (AFM), we have directly observed the progression of surface morphology of InAs deposited by molecular-beam epitaxy on GaAs(100). InAs self-assembled dots (coherent) or relaxed InAs islands (incoherent) are formed depending on the InAs coverage. The InAs coverage was varied continuously and AFM was used to monitor in detail the nucleation and resulting size and shape transition of the InAs self-assembled dots. Dots of uniform size were observed only at the initial stages of this Stranski-Krastanow growth-mode transition. The self-assembled dot density increased very abruptly with total deposited amount of InAs. Treating this InAs growth-mode transition as a first-order phase transition with InAs total coverage as the critical parameter, we extract a critical thickness for surface elastic relaxation of 1.50 ML.

Quantum dots or rings are artificial nanometre-sized clusters that confine electrons in all three directions. They can be fabricated in a semiconductor system by embedding an island of low-bandgap material in a sea of material with a higher bandgap. Quantum dots are often referred to as artificial atoms because, when filled sequentially with electrons, the charging energies are pronounced for particular electron numbers; this is analogous to Hund's rules in atomic physics. But semiconductors also have a valence band with strong optical transitions to the conduction band. These transitions are the basis for the application of quantum dots as laser emitters, storage devices and fluorescence markers. Here we report how the optical emission (photoluminescence) of a single quantum ring changes as electrons are added one-by-one. We find that the emission energy changes abruptly whenever an electron is added to the artificial atom, and that the sizes of the jumps reveal a shell structure.

Making use of self-assembly techniques, we realize nanoscopic semiconductor quantum rings in which the electronic states are in the true quantum limit. We employ two complementary spectroscopic techniques to investigate both the ground states and the excitations of these rings. Applying a magnetic field perpendicular to the plane of the rings, we find that, when approximately one flux quantum threads the interior of each ring, a change in the ground state from angular momentum l = 0 to l = -1 takes place. This ground state transition is revealed both by a drastic modification of the excitation spectrum and by a change in the magnetic-field dispersion of the single-electron charging energy.

Imbedding self-assembled lens-shaped InGaAs quantum dots in a suitably designed field-effect-type GaAs/AlAs heterostructure allows us to charge the lowest discrete quantum levels in the dots with single electrons. Because of their small diameters of about 20 nm the Coulomb charging energy is significantly smaller than the quantization energies. We extract energy spacings of about 41 meV between the $s$-like ground state and the first excited $p$-like state from capacitance as well as infrared transmission spectroscopy at low temperatures and under application of high magnetic fields.

The initial stages of GaAs overgrowth over self-assembled coherently strained InAs quantum dots (QDs) are studied. For small GaAs coverages (below 5 nm), atomic force microscopy (AFM) images show partially covered island structures with a regular size distribution which are elongated in the [011] direction. Analysis of the AFM profiles show that a large anisotropic redistribution of the island material is taking place during the initial GaAs overgrowth. Short time annealing experiments together with photoluminescence spectroscopy on annealed QDs are consistent with a Ga and In intermixing during the overgrowth. Surface QDs capped with 5 nm or more GaAs show a strong luminescence intensity indicating that surface QDs are remarkably insensitive to surface recombination effects.

We demonstrate that very few (1 to 3) quantum dots as a gain medium are sufficient to realize a photonic crystal laser based on a high-quality nanocavity. Photon correlation measurements show a transition from a thermal to a coherent light state proving that lasing action occurs at ultra-low thresholds. Observation of lasing is unexpected since the cavity mode is in general not resonant with the discrete quantum dot states and emission at those frequencies is suppressed. In this situation, the quasi-continuous quantum dot states become crucial since they provide an energy-transfer channel into the lasing mode, effectively leading to a self-tuned resonance for the gain medium.

Carrier confinement to one and zero degrees of freedom has been achieved in artificial quantum well wires and boxes fabricated in the GaAs-GaAlAs system. Low-temperature cathodoluminescence measurements show new luminescence lines attributed to transitions arising from ground and excited levels of electrons within these low dimensional structures.