Alexander Högele, Patrick Maletinsky, Paul Voisin, Xavier Marie, Olivier Krebs, Bernhard Urbaszek, Atac Imamoglu, Thierry Amand, Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (LPCNO), Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC), Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599), Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Department of Physics, University of Basel, Ludwig Maximilians Universität München (LUM), Faculty of Physics, München, Institute of Quantum Electronics (ETHZ), Eidgenössische Technische Hochschule - Swiss Federal Institute of Technology [Zürich] (ETH Zürich), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and University of Basel (Unibas)
The mesoscopic spin system formed by the 10E4-10E6 nuclear spins in a semiconductor quantum dot offers a unique setting for the study of many-body spin physics in the condensed matter. The dynamics of this system and its coupling to electron spins is fundamentally different from its bulk counter-part as well as that of atoms due to increased fluctuations that result from reduced dimensions. In recent years, the interest in studying quantum dot nuclear spin systems and their coupling to confined electron spins has been fueled by its direct implication for possible applications of such systems in quantum information processing as well as by the fascinating nonlinear (quantum-)dynamics of the coupled electron-nuclear spin system. In this article, we review experimental work performed over the last decades in studying this mesoscopic,coupled electron-nuclear spin system and discuss how optical addressing of electron spins can be exploited to manipulate and read-out quantum dot nuclei. We discuss how such techniques have been applied in quantum dots to efficiently establish a non-zero mean nuclear spin polarization and, most recently, were used to reduce fluctuations of the average quantum dot nuclear spin orientation. Both results in turn have important implications for the preservation of electron spin coherence in quantum dots, which we discuss. We conclude by speculating how this recently gained understanding of the quantum dot nuclear spin system could in the future enable experimental observation of quantum-mechanical signatures or possible collective behavior of mesoscopic nuclear spin ensembles., Comment: 61 pages, 45 figures, updated reference list, corrected typographical errors