Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Resonans fluorescens på en InGaAs Quantum prikken i Planar skålen ortogonale eksitasjon og gjenkjenning

Published: October 13, 2017 doi: 10.3791/56435
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Physics and Astronomy, West Virginia University

Summary

Resonans magnetisering av en enkelt selv montert quantum prikk oppnås ved hjelp av en eksitasjon modus ortogonale til fluorescens samling modus. Vi viser en metode bruke waveguide og Fabrys-Perot moduser av en plan microcavity rundt kvante prikker. Metoden gir full frihet i gjenkjenning polarisering.

Abstract

Utføre samtidige resonans eksitasjon og fluorescens oppdagelsen er viktig for quantum optisk målinger av kvante prikker (QDs). Resonans eksitasjon uten fluorescens oppdagelsen-for eksempel en differensiell overføring måling-kan fastslå noen egenskaper av utslipp, men tillater ikke programmer eller målinger basert på slippes ut fotoner. Måling av Foton sammenhenger, observasjon av Mollow trilling og realisering av enkelt Foton kilder alle krever for eksempel samling av fluorescensen. Usammenhengende eksitasjon med fluorescens oppdagelsen-for eksempel ovenfor bandet-gap eksitasjon-kan brukes til å opprette enkelt Foton kilder, men forstyrrelse av omgivelsene takket magnetisering reduserer indistinguishability av fotoner. Enkelt Foton kilder basert på QDs vil måtte være resonantly glade for å ha høy Foton indistinguishability, og samtidig samling av fotoner vil være nødvendig for å gjøre bruk av dem. Vi viser en metode for å opphisse resonantly en enkelt QD innebygd i et plan hulrom ved å koble eksitasjon bjelken i denne hulrom cleaved ansiktet av utvalget mens samle fluorescens langs prøvens overflaten normal retning. Ved å nøye eksitasjon strålen til waveguide modus av hulrom, kan eksitasjon lyset par i hulrom og samhandle med QD. Spredte fotoner kan par til Fabrys-Perot modus hulrom og flukt i overflaten normal retning. Denne metoden tillater full frihet i gjenkjenning polarisering, men eksitasjon polarisering er begrenset av retning forplantning eksitasjon strålen. Fluorescens fra wetting laget inneholder en veiledning for å justere samling banen med hensyn til eksitasjon strålen. Orthogonality av eksitasjon og oppdagelsen modiene kan resonans magnetisering av en enkelt QD med ubetydelig laser spredning bakgrunn.

Introduction

Resonans magnetisering av en enkelt quantum emitter kombinert med fluorescens deteksjon var en langsiktig eksperimentelle utfordring hovedsakelig på grunn av manglende evne til å diskriminere spectrally den svake fluorescensen fra sterk eksitasjon spredning. Dette problemer, men har blitt vellykket overvunnet i det siste tiåret av to ulike tilnærminger: dark-feltet AC confocal eksitasjon basert på polarisering diskriminering1,2,3,4 ,5og ortogonale eksitasjon søk basert på romlige modus diskriminering6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Begge tilnærminger vise sterke betydelig undertrykke laser spredning og dermed er allment vedtatt i forskjellige eksperimenter, for eksempel observasjon av spin-fotonet forviklinger5,15, 16, demonstrasjon av kledd stater2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26og sammenhengende manipulering av trange spinner3,27,28,29,30. Verken tilnærming kan brukes universelt på enhver situasjon; hver er begrenset til noen bestemte betingelser. Mørk-feltet teknikken utnytter polarisering grad av frihet av fotoner å undertrykke eksitasjon laser spredning. Denne teknikken har flere fordeler. For eksempel, er det ingen krav for en veldefinert waveguide modus, som lar AC confocal-bare implementering. AC confocal implementering gir sirkulært polarisert eksitasjon og muligens strammere fokus for eksitasjon bjelken på quantum emitter, noe som resulterer i høyere eksitasjon intensitet. Imidlertid denne polarisering-selektiv metoden begrenser oppdagelsen polarisering skal ortogonale til eksitasjon polarisering, og dermed hindrer fullstendig karakteristikk av polarisering egenskapene til fluorescensen. Sammenligning beholder romlige modus diskriminering fullstendig frihet oppdagelsen polarisering ved å benytte orthogonality skyver overføring av eksitasjon og oppdagelsen bjelker å undertrykke laser spredning4. Begrensninger av denne teknikken er nødvendigheten av en waveguide struktur i utvalget for å gi en eksitasjon modus ortogonale til gjenkjenning modus og begrensning av eksitasjon polarisering skal vinkelrett retning forplantning strålen .

Her viser vi en protokoll for å konstruere en gratis-plass-baserte ortogonale eksitasjon-gjenkjenning oppsett for resonans fluorescens eksperimenter. Sammenlignet med det banebrytende arbeidet på romlige modus diskriminering der en ble brukt til å par lys i hulrom6, denne protokollen gir en løsning på plass, og krever ikke kinetic komponenter skal monteres enten prøven eller fiber i kryostaten. Fin kontroll over retninger av eksitasjon strålen og gjenkjenning banen er manipulert av optikk utenfor kryostaten, mens asfærisk singlet linser fokuserer mål i det kalde regionen av kryostaten. Vi gir representant bilder av viktige justering trinnene under resonans eksitasjon og påvisning av fluorescens fra en enkelt quantum prikk.

Prøven brukt dette er vokst av molekylære strålen epitaxy (MBE). InGaAs quantum prikkene (QDs) er innebygd i en GaAs spacer som er avgrenset av to distribuerte Bragg reflektorer (DBRs), som vist i zoome inn visningen i eksemplet i figur 1. GaAs mellomrom mellom DBRs fungerer som en waveguide, der eksitasjon strålen er begrenset av total intern refleksjon. DBRs også fungere som høy Reflektivitet speil for wavevectors som er nesten normalt å prøve flyet. Dette utgjør en Fabrys-Perot modus som QDs par når emitting fluorescens. Fabrys-Perot modus må resonans med utslipp bølgelengde λ av QDs, som krever GaAs avstandsstykket være heltall multiplum av λ/n, der n er indeks av refraction av GaAs. For denne demonstrasjonen, er tykkelsen på GaAs avstandsstykket valgt til å være 4λ/n, ca 1 µm, slik som å være nær Diffraksjon begrenset størrelsen på hendelsen eksitasjon strålen. En smalere spacer vil resultere i en lavere kopling effektiviteten av eksitasjon bjelken i waveguide modus.

Eksperimentell oppsettet vises i figur 1. Å maksimere kopling effektiviteten, en asfærisk enkelt-linsen målet Eobj med numerisk blenderåpning NA = 0,5 og brennvidde på 8 mm er valgt å fokusere eksitasjon strålen på cleaved ansiktet av utvalget. Funksjon Keplerian teleskopet (komponert av linsen par E1 og E2) i eksitasjon banen er todelt: (1) å fylle blenderåpningen på eksitasjon målet Eobj slik eksitasjon strålen er tett fokusert for bedre modus-matchende til waveguide (i Denne erkjennelsen collimated strålen diameter er 2,5), og (2) å gi tre grader av frihet til å manøvrere fokuspunkt for eksitasjon bjelken på cleaved ansiktet til prøven. Linsen E1 er montert på en X-Y translasjonsforskning mount som gir de to gradene av frihet til å skifte eksitasjon stedet fritt i flyet kløyvde eksempel ansiktet. Linsen E2 er montert på en ikke-roterende zoom boliger som gir frihet til å velge dybden på fokuspunkt i utvalget. Disse tre grader av frihet tillate oss å optimalisere resonans magnetisering av en enkelt QD uten bevegelse av prøven selv.

I fluorescens samling banen brukes en lignende linsen konfigurasjon (Lobj, L1 og L2) til å tillate oppdaging av fluorescens fra ulike deler av prøven. Lyset fra prøven er fokusert av en av to rør linser på enten en IR-sensitive kamera (Lcam) eller ved inngangen slit av spectrometer (Lspec). Bevegelse av L1 langs z-aksen justerer fokus av bildet, og lateral oversettelse av L2 gjør at bildet til skanning flyet av prøven. Brennvidder av L1 og L2 er like så deres forstørrelse er enhet. Dette gjøres for å maksimere området L2 kan oversettes før vignettering.

For å lette justering og plasseringen av en QD, er en hjemme-bygget illuminator basert på Kohler belysning innlemmet i stilling, som vist i figur 1. Formålet med Kohler belysning er å gi jevn belysning til prøven og sikre at en jegmage av belysning lyskilden vises ikke i utvalget bildet. Linsen konfigurasjonene av både illuminator og samling banen er nøye utformet for å skille konjugat bilde flyene prøven og lyskilden. Hver linse i samlingen banen er skilt fra sine naboer på summen av deres brennvidder. Dette sikrer at uansett hvor prøven bildet er i fokus-som på sensoren i kameraet-lyskilde bildet er helt defokusert. Tilsvarende der lyskilden bildet er i fokus – som tilbake fokalplanet av målet-prøven bildet er helt defocused. Lyskilden er en kommersiell lys emitting diode (LED) emitting på 940 nm. Aperture membranen gjør justering av belysning intensitet, og feltblenderen bestemmer synsfelt atmosfære. Tastene til å realisere lysning er å sette avstanden objektivet K4 og L2 skal summen av brennvidder av de to linsene, og for å sikre at blenderåpning lobj er ikke overfylt av belysning. I denne protokollen brukes også belysning å optimalisere avstanden mellom Lobj og prøven.

Målet Lobj og enten rør objektivet gir en forstørrelse på 20 x på kameraet eller spectrometer. Linsen paret L3 og L4 mellom Lobj og Lspec danner en annen Keplerian teleskop som gir en ekstra 4 x forstørrelse i bildet på kostnad - sammen apparat (CCD) av spectrometer. Tillegg av linser L3 og L4 resultater i en total forstørrelse av 80 x, som er nødvendig å skille romlig fluorescens fra nærliggende QDs. L3 og L4 er montert på bla mounts til rette for bytte av forstørrelsen fordi 20 x forstørrelse gir en større synsfelt på prøven.

Overlappende synsfelt samling banen med banen til eksitasjon strålen gjennom waveguide, er utslipp fra kontinuum av quantum dot wetting lag nyttig. En kan bestemme utslipp Bølgelengden av wetting laget ved å måle utslipp spekteret av prøven under ovenfor bandet-gap eksitasjon. Ditt eksempel wetting lag utslipp skjer på ca 880 nm på 4,2 K. Ved å koble en cw laserstrålen på 880 nm i waveguide av utvalget, kan man observere en strek mønster dannet av PL fra wetting laget, som vises i på videoen. Strek avslører overføring banen til eksitasjon lyset som har vært kombinert i waveguide. Tilstedeværelsen av denne strek kombinert med evne å image overflaten av prøven gjør justering grei.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

forsiktig: Vær oppmerksom på mulige farene laser spredning under justering. Bruk riktig vernebriller for beskyttelse. For å lette justeringen prosessen, er en infrarød seer (IR-viewer) nødvendig. En IR-sensitive fluorescerende kort er også nyttig, men ikke nødvendig.

1. sample forberedelse

  1. Bruk en diamant scribe å foreta en ørsmå ripe på kanten av toppen overflaten av prøven på ønsket plassering av cleave. Bruke to par flat-slutt pinsett for å holde prøven på begge sider av scratch. Bruke et utover-roterende dreiemoment med pinsett og prøven vil cleave.
    Merk: En lang ripe er unødvendig å fremme cleaving, og det vil trolig kutte gjennom waveguide laget gjør lys kopling umulig. Cleaved ansiktet er delikat nok til at noen touch på overflaten kan skade waveguide ansiktet.
  2. Legge kløyvde eksempel stykket på en kobber eksempel tallerken termisk ledende sølv paint eller sølv epoxy.
    Merk: Cleaved ansiktet bør være jevnt med kanten på monteringsplaten slik at eksitasjon laser treffes eksempel ansiktet uten innblanding.
  3. Montere den kobber platen i kryostaten slik at både cleaved ansiktet og prøve overflaten er optisk tilgjengelig gjennom vinduene kryostaten.

2. Justering av Resonant eksitasjon banen

Merk: for å maksimere kopling effektiviteten til waveguide, profilen til hendelsen eksitasjon strålen har samkjøres med at av en imaginær bakover spre strålen avsluttes den waveguide.

  1. Grov justering av eksitasjon laserstråle mot cleaved prøven.
    1. Bruk frihetsgradene av optisk fiber coupler FC0 og speil M0 for direkte eksitasjon bjelken på cleaved ansiktet av prøven før eksitasjon linsene installeres.
    2. Nivå eksitasjon strålen vannrett både med hensyn til tabellen optisk og forhold til flyet av prøven.
  2. Installasjon av eksitasjon målet E obj
    1. asfærisk linse E obj innlegge en translational montere med tre grader av translasjonsforskning frihet. Center E obj på laser og angi høyden på E obj være det samme som eksempel.
    2. Opprette et hvitt papir skjermen bak prøven langs eksitasjon banen. Bruk en IR-seer for å observere et lyspunkt på papiret på grunn av laserlys passerer prøven.
    3. Skyv E obj mot prøven sakte til en klar silhuett bilde av utvalget kan ses på papiret. Justere høyden og lateral posisjon E obj midtstille silhuetten midt på lyspunkt.
    4. Holde skyve E obj mot prøven sakte og silhuetten bildet på skjermen opplever en forstørrelse. I mellomtiden, justere lateral posisjon E obj (venstre/høyre) å kompensere vannrett skiftende silhuett bildet.
      Merk: Under den langsomme bevegelsen av E obj til prøven, Diffraksjon utkanten vil begynne å vises på et tidspunkt. Dette gir en ny referanse å sette fokusert stedet på overflatelaget av prøven.
    5. Holde skyve E obj mot prøven sakte. Hver plassering av E obj, øke Skift E obj venstre/høyre fringe avstand til det er bare en frynser synlig å lete etter frynser på skjermen.
      Merk: Det vil være to grupper av frynser, en til venstre og en til høyre for eksempel overflaten.
    6. Finne Skyv E obj Eobj på en posisjon som minimerer antall utkanten synlig.
  3. Justering av telescope linser E1 og E2
    1. objektiver E1 og E2 inn eksitasjon banen sentrert på laserstrålen. Posisjon E2 separert fra E obj summen av deres brennvidder. Angi avstanden mellom E1 og E2 skal summen av deres brennvidder, f.eks, f 1 + f 2 = 150 mm.
    2. observere silhuetten og Diffraksjon mønster på papiret med en IR-seer. Juster høyden på E1 midtstille silhuetten midt på lyse laser belysning stedet.
    3. Skyv E2 mot eller bort fra E1 mens du justerer lateral posisjon E1. Sikre E1 og E2 posisjoner at begge utkant grupper forsvinne eller Vis et minimum antall frynser i visningen.
    4. setter inn en loddrett polarisator POL før E1, og Midtstiller den på eksitasjon strålen.
      Merk: noen polarisatorer har en liten kile vinkel, som tilfellet eksitasjon strålen vil oppleve en kantete avvik. Bruke E1 og E2 for å kompensere dette avviket.

3. Justering av Photoluminescence samling banen

Merk: ytelsen til tenkelig systemet bygget i samlingen banen avhengig av presisjon av plasseringen av L obj på grunn av sin korte brennvidde ( f obj = 10 mm, NA = 0,55). To generelle trinn er involvert i justeringen av L obj: grov justering ved å bruke en HeNe laser og fint tweaking med illuminator og bulk exciton utslipp av GaAs. Følgende justering utføres med prøven ved romtemperatur.

  1. Justering av ovenfor bandet-gap (HeNe) eksitasjon banen og installasjon av kameraet:
    1. par en ovenfor bandet-gap laserstrålen (HeNe) i en enkelt modus fiber.
    2. Direkte utgang bjelken fra fiber collimator FC1 på prøven via et speil M3.
    3. Tilt FC1 vannrett for å midtstille laser spot på prøven ca 1 mm fra cleaved kanten. Vipp M3 vannrett for å skifte tilbake refleksjon av laserstrålen rett over eller under hendelsen strålen. Gjenta denne prosessen flere ganger til møte begge vilkårene.
    4. Tilt FC1 og M3 vertikalt nivå HeNe strålen med hensyn til optiske tabell og holde det rettet på prøven.
    5. Bruke IR betrakteren for å finne både resonans laser og HeNe laser flekker på prøven. Kontroller at midten av HeNe laser spot på samme høyde som resonans laser spot. Hvis ikke, bruk FC1 og M3 tilsvarer strålen høydene samtidig HeNe strålen nivå med bordet.
    6. Sette inn ikke-polarisert strålen splitter kuben (90: 10), Landsbyer, i HeNe banen. Midtstille kuben i hendelsen HeNe strålen.
    7. Finn to bjelker strålen splitter utdataene samling banen, en fra refleksjon fra prøven og en fra interne refleksjon i kuben.
    8. Roterer kuben av en liten vinkel (~ 5 grader) slik at to bjelker kan lett skilles ved utgangen. Lyset reflekteres av prøven overflaten kan brukes som en grov veiledning til å justere kameraet.
      Merk: Internt reflektert strålen retning endres ikke når kuben er rotert om den loddrette aksen.
    9. Nivå kuben med hensyn til kategorien optiskLe ved HeNe strålen tilsvarer interne refleksjon innenfor terningen er på samme høyde som innkommende bjelken.
    10. Sette en IR-sensitive kameraet i bane tilbake reflektert HeNe strålen. Bruke en tube linsen L cam med en brennvidde på 200 mm fokusere Eksempelbilde på kameraet.
      Merk: En hjemme-bygget undergrunnssystemet brukes å huse linsen L cam, som vist i figur 1, som hindrer spredt vanlig lys blir oppdaget av kameraet.
    11. Satt opp en 800 nm lang-pass filter, F1, foran L cam å filtrere ut HeNe lys, som gjør det mulig observasjon av PL fra eksempel kameraet.
  2. Installasjon og optimalisering av plasseringen av linsen L obj
    1. asfærisk linse L obj innlegge en translational montere med tre grader av translasjonsforskning frihet. Midtstille L obj på HeNe laser og angi separasjon fra prøve å være brennvidde, f obj = 10 mm.
    2. Sett opp linsen par L1 og L2 (f-1 = f 2 = 50 mm) ved hjelp av en XY translasjonsforskning mount der ene er fast og den andre siden er bevegelig i laterale flyet styrt av mikrometer.
      Merk: Linsen L2 går inn i bevegelig siden av fjellet. L1 er holdt av en linse rør og knyttet til den faste siden av fjellet. Undergrunnssystemet gir frihet til å justere avstanden mellom de to linsene Drei inn/ut objektivet røret holder L1 langs den optiske aksen.
    3. Avstanden mellom de to linsene 100 mm. Angi L2 i sentrum av mount ved å justere mikrometer.
    4. Inn HeNe banen mellom Landsbyer og kryostaten L1 og L2 linsen combo. Angi avstanden mellom L1 og L obj skal f obj + f 1. Senter L1 og L2 på hendelsen HeNe lys.
    5. Inn illuminator og pellicle inn i samling banen som vist i figur 1. Avstanden mellom objektivet K4 og L2 skal summen av deres brennvidder.
    6. Senter belysning bjelken på L2 ved å justere vinkelen på illuminator.
    7. Justere vinkelen på pellicle Center baksiden reflektert lys lys synlig i kamerabildet PL spot forårsaket av HeNe eksitasjon.
      Merk: For justering, kan en lukke feltblenderen for å finne midten av området opplyste.
    8. Bruker bare illuminator lyset, finne en overflate defekt eller støv på prøven ved å se på kameraet. Søk andre deler av prøven etter behov ved å flytte L2 lateralt.
    9. Litt trykk L obj inn og ut langs den optiske aksen skal defekt eller støv skarpeste.
    10. SKIFT L2 tilbake til midten av mount.
    11. Vis HeNe-spent PL flekk på kameraet, og Flytt L obj vannrett slik at PL stedet er 1-2 mm fra cleaved kant av prøven.
      Merk: For en avstand som er mindre enn 1 mm, laser spredning fra cleaved kant av prøven vil samles inn av målet L obj. Mens for avstand for langt fra cleaved ansiktet, eksitasjon strålen kan oppleve signalsvekking før QD, noe som reduserer kraften maksimal eksitasjon.
    12. SKIFT L2 vannrett til cleaved kanten av prøven vises på kameraet under belysning.
    13. Sakte Skift L obj vertikalt for å se etter en lyse laser spot cleaved ytterkant utvalget, er forårsaket av spredning av resonans eksitasjon bjelken på cleaved ansiktet til prøven.
    14. Nivå PL stedet skyldes HeNe eksitasjon til lyse laser spot på cleaved kanten av utvalget.
  3. Omstillingen av HeNe eksitasjon banen med hensyn til den nye plasseringen til L obj .
    Merk: For å maksimere scannable området og minimere vignettering, er det nødvendig å midtstille eksitasjon optikk og eksitasjon strålen med hensyn til plasseringen av L obj.
    1. Fjern L1 og L2. Center eksitasjon bjelken på L obj samtidig strålen er overflaten normal mot prøven.
    2. Center L2 på mount. Midtstill både L1 og L2 på hendelsen eksitasjon bjelken. Avstanden mellom L1 og L obj skal summen av de to brennvidder, dvs, f 1 + f obj.
    3. Omplasser L cam slik at den midtstilles på reflekterte HeNe stråle. Flytte kameraet slik at HeNe glade PL (bruk en lang-pass filter) er sentrert på bildet.
    4. Justere vinkelen på illuminator og pellicle midtstille belysning lys på L2 og PL spot skyldes HeNe eksitasjon.
  4. Justering av speil M1 og M2.
    Merk: En laser rettet bakover gjennom spectrometer vil lette justering.
    1. Skjerm HeNe-spent PL fra eksempel på kameraet. Midtstille en iris (Iris A) på PL mellom pellicle og M1.
    2. Center linse L spec på omvendt bjelken og plassere den én brennvidde f spec fra inngangen slit av spectrometer.
    3. Sende omvendt strålen fra spectrometer til prøven ved reflekterer ut av to speil, M1 og M2.
    4. Satt opp en annen iris (Iris B) mellom M2 og L spec og center på omvendt bjelken.
    5. Styre M2 midtstille omvendt stråle på Iris A. styre M1 Center PL på Iris B. Repeat denne prosessen flere ganger til begge vilkårene oppfylles.
    6. Finne midten av inngangen slit (30 μm bredde) av spectrometer på med CCD ved overvåking av null-order Diffraksjon av lysforholdene.
    7. Åpne inngangen slit av spectrometer. Ved å bruke en 800 nm lang-pass filter, PL fra prøven under HeNe eksitasjon kan observeres på med CCD.
    8. Styre M1 til dette stedet ved inngangen slit i spectrometer og middels høyde på CCD, og styre M2 for å midtstille den omvendte strålen på Iris A. Gjenta denne prosessen flere ganger til begge vilkårene er møtt
    9. Justering av linsen par L3 og L4: posisjon L3 i PL samling banen på et sted som er f 2 + f 3 fra objektivet L2. Sted L4 inn i samling banen separert fra L3 summen av deres brennvidder, f 3 + f 4. Juster lateral posisjon for L4 til center PL sted på med CCD.

4. Overlapping av PL samling banen med hensyn til Resonant eksitasjon banen

  1. Cool ned prøve å 4.2 K. Med over-band eksitasjon, bruk spectrometer for å finne utslipp Bølgelengden av wetting laget (vanligvis rundt 880 nm).
  2. Opprette en 800 nm lang-pass filter F1 foran L cam for å blokkere HeNe lys. Med hjelp av belyst lys, skifte L2 vannrett for å finne cleaved kanten av eksempler på kameraet.
  3. Angir siden eksitasjon bølgelengde skal resonans med wetting laget. Finn en lyse spredning plass ved cleaved prøven på kameraet.
  4. Observere en " strek mønster " av photoluminescence på kameraet ved å justere lateral posisjon E1. Maksimere intensiteten av strek ved skiftende E1 lateralt.
    Merk: Den " strek " er wetting lag utslipp, som innebærer at eksitasjon strålen er kombinert i waveguide av utvalget.
  5. Juster E1 loddrett for å flytte strek til å overlappe PL stedet skyldes HeNe magnetisering.
  6. Registrere intensiteten av wetting laget PL. justere E2 i én retning, så å optimalisere plasseringen av E1; igjen ta intensiteten av PL og sammenligne med tidligere verdien.
  7. Om intensiteten har økt, gjenta justering av E2 i samme retning. Hvis intensiteten har avtatt, deretter snu justering av E2. Gjenta denne fremgangsmåten for å finne optimal plasseringene for både E1 og E2.

5. Resonans magnetisering av en enkelt Quantum prikk

< p class = "jove_content"> Merk: Det finnes to mulige fremgangsmåter til å realisere resonans magnetisering av en enkelt QD: (1) melodi eksitasjon frekvensen av laser tilsvarer en bestemt QD resonans; eller (2) skanning laser frekvensen resonans energiene av QD ensemblet til resonans fluorescens fra en enkelt QD er observert.

  1. Metoden (1) - målrettet eksitasjon:
    1. satt spectrometer overvåke den første orden Diffraksjon i sentrum av utslipp Bølgelengden av QD ensemblet under ovenfor bandet-gap eksitasjon. Åpne inngangen slit av spectrometer.
    2. Juster makt over-band magnetisering til glødende bakgrunn vises på grunn av magnetisering av kontinuum halen av wetting lag statene. Nær inngangen slit til 30 μm.
    3. SKIFT L2 sidelengs for å finne en passende QD - for eksempel den smarteste en i visningen. Registrere Bølgelengden av QD λ QD målt ved spectrometer.
    4. Tune Bølgelengden av resonans eksitasjon laser være samme verdi som λ QD.
      Merk: Ofte spectrometer kan plukke opp svake signaler fra spredning av resonans eksitasjon laser fra optikk. Hvis ikke, sende en split-off av eksitasjon bjelken i spectrometer.
    5. Maksimere QD ' s PL intensitet på på CCD av Fininnstilling frekvensen av eksitasjon laser.
      Merk: For noen QDs, en liten mengde HeNe lys er behøvde å tillate QD skal resonantly glade 10 , 31 , 32. Den nødvendige HeNe laser makten er vanligvis så lav - noen hundre nanowatts - som ingen fluorescens forårsaket utelukkende av denne HeNe strålen kan oppdages av med CCD.
    6. Maksimere PL intensiteten av QD ved å justere høyden og lateral posisjon linsen E1 og aksial plasseringen av linsen E2. Sammen optimaliserer plasseringen av linser E1 og E2 å maksimere intensiteten av resonans fluorescens fra QD.
  2. Metoden (2) - Spectral søker:
    1. satt spectrometer overvåke den første orden Diffraksjon i sentrum av utslipp Bølgelengden av QD ensemblet. Åpne inngangen slit av spectrometer.
    2. Stille frekvensen av eksitasjon laser over energi rekke QD ensemblet. En resonantly glade QD vises med CCD som en prikk omgitt av luftige ringer. Plukke en QD som er lys.
    3. Maksimere PL intensiteten av Fininnstilling bølgelengden til eksitasjon laser.
    4. Maksimere PL intensiteten av prikken ved å justere høyden og sideveis plasseringen til E1and aksial plasseringen av linsen E2. Sammen optimaliserer plasseringen av linser E1 og E2 å maksimere intensiteten av resonans fluorescens fra QD.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 viser en bestemt realisering av nødvendig utstyr å oppnå resonans magnetisering av en enkelt quantum prikk. Andre erkjennelser er mulig, men de kritiske komponentene: en eksitasjon bane til par til waveguide; en samling bane å fluorescens detektorer; en AC confocal eksitasjon bane å opphisse langs samling banen. og en belysning banen aktivere avbilding av prøven overflaten.

To representative RPLE spectra er vist i figur 2. De er samlet fra en nøytral QD [figur 2(a) og (b)] og en ladet QD [figur 2(c) og (d)]. Nøyaktig anklagen tilstanden i ladet QD kan ikke bestemmes ved å undersøke spekteret. For å oppnå best signal-til-støy forholdet, holdes laser spredning til et minimum. Høyre bildene i figur 2(a) og (c) Vis spredning bakgrunnen når eksitasjon laser er langt-nedstemte fra resonans. Laser spredning er mye svakere enn QD fluorescens, men for å illustrere typisk mønstre av spredning, bilder blitt forsterket av 284 og 23 ganger, henholdsvis. Hvis bildene er i justeringen, innebærer det at sterke laser spredning er tilstede. Flere årsaker kan føre til dette resultatet, som feiljustering av koblingen til waveguide, riper på cleaved ansiktet til waveguide, en synsfelt for nær cleaved kanten av prøven, etc. Detaljerte diskusjoner på hvert punkt tilbys i diskusjon del av denne protokollen.

Bildet av en resonantly glade QD i en plan microcavity vil vanligvis ha sentrale disk med ringer rundt det som vist i Figur 3. Dette mønsteret resultater fra koblingen av QD til flyet-bølge eigenmodes av hulrom, som overføring retninger er bølgelengde avhengige33. Dermed framgår fluorescens av en enkelt bølgelengde hulrommet i en hule membran som apex vinkel bestemmes av bølgelengden til utslipp. Når dette lyset er collimated av målet og fokusert av rør linsen, har bildet dannet ring-lignende strukturen tydelig i figur 2 og Figur 3. Radier Ringenes Herre og disken vil bli bestemt av apex vinkelen og dermed utslipp bølgelengde. Mindre utslipp bølgelengde, desto større apex vinkelen og mindre radier. Minste mulige apex vinkelen er null, som betyr at det er en lang-bølgelengde cutoff for stråling som kan unnslippe hulrom. Den største mulige apex vinkelen bestemmes av NA av målet objektivet, som betyr at det er en kort-bølgelengde cutoff for stråling som kan hentes av optiske systemet. Et mål med en større NA- eller tillegg av en solid nedsenking linse - ville utvide denne lave enden av samlingen bandet til kortere bølgelengder. På den annen side, kan ikke lang bølgelengde slutten av samlingen bandet endres unntatt ved å endre utvalg strukturen. Figur 3 viser bilder av fluorescens fra QDs med forskjellige utslipp bølgelengder fra minimum til cutoff bølgelengde.

Figure 1
Figur 1. Skjematisk av eksperimentet.
Resonans magnetisering av en enkelt QD er realisert ved å koble en smal linewidth (1 MHz) cw laserstråle i waveguide av prøven, som avbildet av oransje banen. Photoluminescence av prøven samles fra Fabrys-Perot modus, etter det røde banen. En Helium-Neon (HeNe) laser gir ovenfor bandet-gap magnetisering confocally, etter grønne banen. En hjemme-bygget illuminator gir jevn belysning av prøven overflaten med 940 nm lys, som avbildet av gule banen. Merk at skjematiske ikke skala. FC: fiber coupler; Annonse: aperture membran; FD: feltblenderen; POL: polarisator; F: lang-pass filter; Landsbyer: ikke-polarisert strålen splitter kube. DBR: distribuert Bragg reflektor; CCD: kostnad - sammen enhet. LED: lysdiode. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. Resonans fluorescens av en enkelt quantum prikk.
(a) bilder av fluorescens av en nøytral quantum prikk på ulike detunings, angitt i lineær frekvens på hvert bilde. Null detuning tilsvarer 927.8597 nm. (b) RPLE spekter av den samme nøytral QD, ved å integrere PL intensiteten i et sirkulært område med en diameter på 8 bildepunktene rundt midtpunktet. (c) bilder av fluorescens av en ladet QD på ulike detunings, angitt i lineær frekvens på bunnen av hvert bilde. Null detuning tilsvarer 927.653 nm. (d) RPLE spekter av samme belastet QD, ved å integrere PL intensiteten i et sirkulært område med diameter 12 bildepunktene rundt midtpunktet. (e) andre-ordens korrelasjon måling av den nøytrale QD i (a) under resonans eksitasjon på lav-energi toppen. Høyre rammene i (a) og (c) er langt-nedstemte eksitasjon bilder, med intensiteten multiplisert 284 og 23, henholdsvis vise lavt laser spredning bakgrunnen. Merk at fargen skala for (a) og (c) er forskjellige, men delte blant enkelte sub-plott. Normaliserte RPLE intensiteten i (b) og (d) er merket med oransje prikker, mens blå firkanter angir data tilsvarende bildene vises i (a) og (b), henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. Resonans fluorescens fra åtte forskjellige punkter ved forskjellige bølgelengder i hulrom-modus.
Resonans bølgelengden angis på hvert bilde. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De avgjørende skritt i protokollen er: modus-samsvarende og justering av eksitasjon strålen til waveguide modus; og riktig justering og fokusere av samlingen optikk. De vanskeligste delene av disse trinnene er innledende justering; optimalisere koblingen av en allerede justerte oppsett er relativt enkelt. Overlappende innsamling og eksitasjon områdene er et skritt som er enkelt med evnen å image utvalget på kameraet, men er svært vanskelig uten denne muligheten. For å få høy kvalitet tenkelig, er riktig Kohler belysning avgjørende. Temaet Kohler belysning er utenfor omfanget av denne protokollen, men er et velkjent begrep i mikroskopi og diskuteres omfattende i de publiserte litteratur34,35.

Linsen brennvidder bemerket her er typisk, men ikke nødvendig. Forskjellige kryostatens og andre faktorer kan pålegge mer eller ulike krav optikk ordningen. I slike tilfeller er riktig valg av linsen brennvidder under design for å tilfredsstille kravene til modus-samsvarende i eksitasjon banen og Kohler belysning i samlingen banen. Kohler belysning vil være fornøyd hvis linser er atskilt med summen av deres brennvidder. Riktig modus-samsvarende i waveguide krever så høyt en NA som mulig, som betyr strålen må fylle blenderåpningen på Eobj. Målet sitter i en hjemmelaget dovetail rail XYZ montere som er bevegelig bare ved romtemperatur fordi den er plassert inne koden løpet av kryostaten. Denne nært å sample posisjon tillater bruk av en stor NA linse samtidig minimere termisk variasjonen i linsen mounts, som øker mekanisk stabilitet. Målene er i dette tilfellet asfæriske singlet objektiver på grunn av plassbegrensninger. Hvis er mer plass, kan kommersielle multi linsen mål brukes i stedet å forbedre bildebehandling kvaliteten, NA og forstørrelse. Eksperimentell oppsettet kan utvides slik at AC confocal resonans eller nær resonans eksitasjon ved å erstatte M3 med dichroic speil og lede en eksitasjon stråle gjennom både den dichroic og strålen splitter Landsbyer.

Hvis laser bakgrunnen er for sterk, er dårlig koplingen eksitasjon avhenger av i waveguide en mulig årsak. Koblingen kan reduseres av ruhet, riper eller forurensning i cleaved ansiktet på grunn av feil håndtering. Ansiktet at vil være knyttet til må ikke bli rørt av noe. Det er mulig men vanskelig å rengjøre cleaved ansiktet av forurensning, men grovheten og riper er permanent. Hvis overflaten er et problem, en annen plassering på cleaved ansiktet kan være forsøkt, men en fersk cleave kan være nødvendig. Sterk laser spredning bakgrunn kan også skyldes delen montert eksitasjon lys spredning fra støv på overflaten av prøven. En annen mulighet er at synsfelt er for nær kanten av samplingsfrekvens og lysspredning fra kanten er inn i samling-banen. Til slutt, kan det være at laser makt er litt for høy. Eksitasjon laser makt er vanligvis i området fra 0,5 til 10 µW målt på strømmåleren vist i figur 1. Bortsett fra å redusere kilder laser spredningsprosent, kan spredning filtreres ved å legge til en vannrett polarisator samling banen. Men for å se QD krever fluorescens i denne situasjonen en QD som dipol øyeblikket ikke justert loddrett retning.

Eksitasjon polarisering er begrenset til bare ett valg; i dette tilfellet er det loddrette polarisering. Dette skyldes tre betingelser. Først er retning forplantning eksitasjon strålen begrenset å være i eksempel fly. Andre må polarisering være vinkelrett retning forplantning. Tredje QD dipol øyeblikk ligger i eksempel flyet. Hvis, som i dette tilfellet, eksitasjon strålen overfører vannrett, så er det eneste valget polarisering som kan pirre QDs loddrett. I kontrast har deteksjon polarisering ingen begrensninger plassert på den fordi undertrykkelse av laser spredning oppnås hovedsakelig ved confinement av laser innen waveguide modus11. En annen begrensning er at denne eksitasjon ordningen krever en waveguide å lyset quantum prikk, en struktur som ikke kanskje er gjennomførbart for alle utvalg. Sammenlign dette til mørk-feltet AC confocal eksitasjon teknikk1, som bruker krysset polarisatorer for å undertrykke laser spredning. I så fall magnetisering kan bruke vilkårlig polarisering, men oppdagelsen polarisering må ortogonale.

Enkelt kvante prikker under resonans eksitasjon har vist seg for å være utmerket enkelt Foton kilder med høy lysstyrke, trange linewidth og høy indistinguishability36. Denne protokollen gir en mulig tilnærming for å utnytte disse eksepsjonelle egenskaper av selv montert QD systemet for programmer, som quantum informasjon og lineær optisk quantum databehandling. Videre fotoner fanget med enten en annen Foton eller et elektron-spinn vil kreve samling uten hensyn til polarisasjon, som er en funksjon av denne metoden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å erkjenne Glenn S. Solomon for å gi prøven. Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation (DMR-1452840).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Tunable external cavity diode laser Toptica Photonics DL-Pro
Closed-cycle cryostat Montana Instruments Cryostation
Spectrometer, 750 mm focal length Princeton Instruments SpectraPro 2750
Thermoelectrically cooled charge-coupled device Princeton Instruments Pixis 100BR-eXcelon
HeNe laser JDSU 1125P
Infrared sensitive camera Sony NEX-5TL IR blocking filter removed
Power meter and detector Newport 1918-C, 918D-IR-OD3
Adjustable aspheric fiber collimator Thorlabs CFC-8X-A
Air-Spaced Doublet Collimator Thorlabs F810APC-842
Protected Silver Mirrors x 5 Thorlabs PF10-03-P01
Flip mounts x 2 Thorlabs FM90
Aspheric condenser lens, f = 20 mm; K1 Thorlabs ACL2520-B
Best form spherical lens, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2 Thorlabs LBF254-050-B
Best form spherical lens, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4 Thorlabs LBF254-100-B
Best form spherical lens, f = 200 mm; Lspec, Lcam Thorlabs LBF254-200-B
Plano-convex lens, f = 400 mm; L3 Thorlabs LA1172-B
Molded glass aspheric lens, f = 8 mm; Eobj Thorlabs C240TME-B
Precision asphere, f = 10 mm; Lobj Thorlabs AL1210-B
Longpass Filters, 800 nm, x2 Thorlabs FEL0800
Non-polarizing beam splitter cube (NPBS) Thorlabs BS029
Pellicle beam splitter Thorlabs BP108
Polarizer Thorlabs LPNIRE100-B
Light emitting diode, 940 nm Thorlabs M940D2

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kuhlmann, A. V., et al. A dark-field microscope for background-free detection of resonance fluorescence from single semiconductor quantum dots operating in a set-and-forget mode. Rev. Sci. Instrum. 84 (7), 073905 (2013).
  2. Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -Y., Atatüre, M. Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence. Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).
  3. Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467 (7313), 297-300 (2010).
  4. Houel, J., et al. Probing Single-Charge Fluctuations at a GaAs/AlAs Interface Using Laser Spectroscopy on a Nearby InGaAs Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 108 (10), 107401 (2012).
  5. Gao, W. B., Fallahi, P., Togan, E., Miguel-Sanchez, J., Imamoglu, A. Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon. Nature. 491 (7424), 426-430 (2012).
  6. Muller, A., et al. Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity. Phys. Rev. Lett. 99 (18), 187402 (2007).
  7. Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nat. Phys. 5 (3), 203-207 (2009).
  8. Konthasinghe, K., et al. Coherent versus incoherent light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 85 (23), 235315 (2012).
  9. Peiris, M., Konthasinghe, K., Yu, Y., Niu, Z. C., Muller, A. Bichromatic resonant light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 89 (15), 155305 (2014).
  10. Chen, D., Lander, G. R., Krowpman, K. S., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Characterization of the local charge environment of a single quantum dot via resonance fluorescence. Phys. Rev. B. 93 (11), 115307 (2016).
  11. Chen, D., Lander, G. R., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Polarization-Dependent Interference of Coherent Scattering from Orthogonal Dipole Moments of a Resonantly Excited Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 118 (3), 037401 (2017).
  12. Ge, R. -C., et al. Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots. Opt. Lett. 38 (10), 1691 (2013).
  13. Proux, R., Maragkou, M., Baudin, E., Voisin, C., Roussignol, P., Diederichs, C. Measuring the Photon Coalescence Time Window in the Continuous-Wave Regime for Resonantly Driven Semiconductor Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 114 (6), 067401 (2015).
  14. Robertson, J., et al. Polarization-resolved resonant fluorescence of a single semiconductor quantum dot. Appl. Phys. Lett. 101 (25), 251118 (2012).
  15. De Greve, K., et al. Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength. Nature. 491 (7424), 421-425 (2012).
  16. Schaibley, J. R., et al. Demonstration of Quantum Entanglement between a Single Electron Spin Confined to an InAs Quantum Dot and a Photon. Phys. Rev. Lett. 110 (16), 167401 (2013).
  17. Gerardot, B. D., et al. Dressed excitonic states and quantum interference in a three-level quantum dot ladder system. New J. Phys. 11 (1), 013028 (2009).
  18. Hargart, F., et al. Cavity-enhanced simultaneous dressing of quantum dot exciton and biexciton states. Phys. Rev. B. 93 (11), 115308 (2016).
  19. Jundt, G., Robledo, L., Högele, A., Falt, S., Imamoglu, A. Observation of dressed excitonic states in a single quantum dot. Arxiv preprint cond-mat/0711.4205v1. , Available from: http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.4205v1.pdf (2007).
  20. Kim, H., Shen, T. C., Roy-Choudhury, K., Solomon, G. S., Waks, E. Resonant Interactions between a Mollow Triplet Sideband and a Strongly Coupled Cavity. Phys. Rev. Lett. 113 (2), 027403 (2014).
  21. Unsleber, S., et al. Observation of resonance fluorescence and the Mollow triplet from a coherently driven site-controlled quantum dot. Optica. 2 (12), 1072 (2015).
  22. Xu, X., et al. Coherent Optical Spectroscopy of a Strongly Driven Quantum Dot. Science. 317 (5840), 929-932 (2007).
  23. Muller, A., Fang, W., Lawall, J., Solomon, G. S. Emission Spectrum of a Dressed Exciton-Biexciton Complex in a Semiconductor Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 101 (2), 027401 (2008).
  24. Roy-Choudhury, K., Hughes, S. Quantum theory of the emission spectrum from quantum dots coupled to structured photonic reservoirs and acoustic phonons. Phys. Rev. B. 92 (20), 205406 (2015).
  25. Ulhaq, A., Weiler, S., Ulrich, S. M., Roßbach, R., Jetter, M., Michler, P. Cascaded single-photon emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot. Nat. Photonics. 6 (4), 238-242 (2012).
  26. Ulrich, S. M., et al. Dephasing of Triplet-Sideband Optical Emission of a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot inside a Microcavity. Phys. Rev. Lett. 106 (24), 247402 (2011).
  27. Atature, M., Dreiser, J., Badolato, A., Hogele, A., Karrai, K., Imamoglu, A. Quantum-dot spin-state preparation with near-unity fidelity. Science. 312 (5773), 551-553 (2006).
  28. Kroner, M., et al. Resonant two-color high-resolution spectroscopy of a negatively charged exciton in a self-assembled quantum dot. Phys. Rev. B. 78 (7), 075429 (2008).
  29. Press, D., Ladd, T. D., Zhang, B., Yamamoto, Y. Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses. Nature. 456 (7219), 218-221 (2008).
  30. Sun, S., Waks, E. Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics. Physical Review A. 94 (1), 012307 (2016).
  31. Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots. Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114 (2013).
  32. Nguyen, H. S., et al. Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401 (2012).
  33. Benisty, H., De Neve, H., Weisbuch, C. Impact of planar microcavity effects on light extraction-Part I: basic concepts and analytical trends. IEEE J. Quantum Elect. 34 (9), 1612-1631 (1998).
  34. Köhler, A. Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke. Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik. 10 (4), 433-440 (1893).
  35. Köhler, A. New method of illumination for photomicrographical purposes. Journal Royal Microscopical Society (Great Britain). 14, 261-262 (1894).
  36. He, Y. -M., et al. On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability. Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).

Tags

Engineering problemet 128 Quantum dot fluorescens resonans fluorescens microcavity
Resonans fluorescens på en InGaAs Quantum prikken i Planar skålen ortogonale eksitasjon og gjenkjenning
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chen, D., Lander, G. R., Flagg, E.… More

Chen, D., Lander, G. R., Flagg, E. B. Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection. J. Vis. Exp. (128), e56435, doi:10.3791/56435 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter