Fluorescencia de resonancia de un punto cuántico de InGaAs en una cavidad plana usando detección y excitación ortogonal

El objetivo general de este protocolo es lograr la excitación resonante de un punto cuántico y la detección simultánea de fluorescencia utilizando los modos de excitación y detección ortogonales. La realización de la excitación resonante con detección de fluorescencia es esencial para estudiar las interacciones de la materia de luz en nanoestructuras de baja dimensión y se ha utilizado para ilustrar efectos ópticos cuánticos como los estados de vestimenta. La principal ventaja de esta técnica es que utiliza la ortogonalidad entre los modos de excitación y detección para minimizar la acumulación de dispersión láser que preserva la polarización de la fluorescencia.

Esta técnica tiene implicaciones para las fuentes basadas en puntos cuánticos de fotones individuales altamente indistinguibles y para el control y la medición coherentes de los espines de los electrones en puntos cuánticos. Coloca los elementos del experimento en un banco óptico. Un criostato para sostener la muestra está en el centro del experimento.

Los elementos ópticos dirigen y enfocan la salida de tres fuentes de luz. Este esquema proporciona una visión general de la configuración. Una vez más, la muestra contenida en un criostato está en el centro.

Una fuente de luz es un láser de diodo de cavidad externa que se utiliza para la excitación resonante. Otro es un láser de neón de helio que se utiliza para la excitación por encima de la curva. También hay un LED para la iluminación.

El rayo láser de excitación resonante pasa a través de un polarizador y entra a través de una ventana del criostato. Las lentes E1 y E2 forman un telescopio capilar. E1 se encuentra en una etapa XY para permitir el desplazamiento lateral del punto de excitación.

E2 está en una carcasa de zoom para permitir variar la profundidad de enfoque. La luz de la fuente de iluminación y el láser de helio y neón entra por la otra ventana del criostato. Dentro de la muestra, la luz interactúa con los puntos cuánticos de arseniuro de indio y galio incrustados entre dos reflectores de Bragg distribuidos.

La cara hendida de la muestra se expone al láser de excitación resonante. La fotoluminiscencia del punto cuántico viaja de regreso a lo largo de la trayectoria óptica del láser de helio y neón. Pasa a través de un segundo telescopio capilar con un diseño similar al primero pero con aumento unitario.

Una cámara está en posición para capturar la luz de la muestra con el fin de facilitar la alineación. Un espectrómetro está en posición para recoger la fotoluminiscencia de la muestra para el análisis de intensidad y espectral. La posición de un espejo abatible M1 determina si la luz va a la cámara o al espectrómetro.

El primer paso es preparar una muestra para el experimento. Las muestras del experimento se escindin de una muestra más grande cultivada mediante epitaxia de haz molecular. Además de la muestra, tenga a mano una placa de muestra de cobre, pintura térmicamente conductora, un trazador de diamante y pinzas planas.

Acércate a la muestra con el escriba de diamantes. Úselo para hacer un pequeño rasguño en el borde de la superficie superior de la muestra. A continuación, utilice las pinzas para sujetar la muestra a cada lado del arañazo y aplique un par de rotación hacia fuera.

Mueva la muestra escindida a la placa de muestra de cobre y fíjela con la pintura termoconductora. A continuación, lleve la placa de muestra de cobre al criostato para montarla. Asegúrese de que la muestra esté orientada correctamente para el experimento.

El siguiente paso es instalar una lente de objetivo asférico en el criostato. Este objetivo está asegurado en una montura de traslación con tres grados de libertad. Pertenece a la trayectoria del láser de excitación resonante y enfoca la luz en el extremo escindido de la muestra.

Al principio, la lente debe estar a más de una distancia focal de la muestra. Con la lente en el criostato, encienda el láser de excitación y centre la lente en él. La altura de la lente debe ser la misma que la del centro de la muestra.

A continuación, coloque una pantalla de papel blanco en la trayectoria del láser detrás de la muestra y observe la pantalla con un visor de infrarrojos. Debe haber un punto brillante debido a la luz transmitida a través de la muestra. Mueva lentamente la lente hacia la muestra.

Observe la pantalla a través del visor y deténgase cuando aparezca una imagen clara de la silueta de la muestra. Ajuste la posición de la lente para centrar la silueta en el centro del punto brillante. Continúe trasladando lentamente la lente hacia la muestra.

La imagen de la silueta en la pantalla se ampliará y puede desplazarse horizontalmente. Siga ajustando la lente para centrar la imagen y ampliarla hasta que se vean las franjas de interferencia. Mueva lentamente la lente más hacia la muestra.

En cada posición de profundidad, controle los flecos deslizando el objetivo hacia la izquierda y hacia la derecha. Mueva la lente a una posición que maximice el espacio entre los dos grupos de franjas y asegúrela. A continuación, ajuste la posición lateral de la lente para minimizar los flecos en la pantalla de papel.

A continuación, ajuste el telescopio capilar en la trayectoria de excitación. Las dos lentes deben estar centradas en el rayo láser de excitación resonante. Refiriéndose al esquema, coloque la lente E2 de modo que ella y la lente asférica estén separadas por la suma de sus distancias focales.

Además, establezca la separación entre E1 y E2 para que sea la suma de sus longitudes focales. Utilice el visor de infrarrojos para observar el patrón de difracción en la pantalla de papel mientras ajusta la altura de la lente E1. El objetivo es volver a observar las franjas de interferencia. Deslice E2 hacia adelante y hacia atrás mientras monitorea los flecos deslizando E1 hacia la izquierda y hacia la derecha.

Coloque E2 en la posición donde los grupos marginales están más separados. Por último, ajuste la lente E1 lateralmente para que los flecos desaparezcan o se minimicen. Retire la pantalla y continúe colocando y alineando los elementos ópticos restantes.

Enfríe la muestra a 4,2 Kelvin y prepárese para la espectrometría. El aparato debe configurarse como en este esquema. Excite la muestra con el láser de helio y neón y dirija la fotoluminiscencia de la muestra al espectrómetro.

A partir del espectro de emisión medido resultante, identifique el pico de emisión entre 860 y 900 nanómetros. Esto corresponde a la emisión de la capa humectante. Para la siguiente medición, cambie la configuración para usar la cámara.

Use un filtro de paso largo frente a la cámara para bloquear la luz de neón de helio. Además, encienda la luz de iluminación. Mueva la lente L2 lateralmente mientras observa la imagen de la cámara.

La imagen de muestra se desplazará por el movimiento de la lente. Deténgase después de localizar el borde escindido de la muestra. Ahora encienda el láser de excitación resonante con la longitud de onda configurada para que sea resonante con la capa humectante.

En la cámara, identifique un punto de dispersión brillante en el borde escindido de la muestra. A continuación, ajuste la posición horizontal de E1. El objetivo es observar un patrón de rayas de fotoluminiscencia en la cámara y maximizar su intensidad. A continuación, mueva E1 verticalmente para superponer la raya con el punto de fotoluminiscencia causado por la excitación del helio y el neón.

Monitoriza y registra la intensidad de la fotoluminiscencia. Ajuste sistemáticamente las lentes E1 y E2 para maximizar la intensidad. Vuelva a cambiar la configuración para usar el espectrómetro.

Configúrelo para monitorear la difracción de primer orden en el centro de la longitud de onda de emisión del conjunto de puntos cuánticos. A continuación, pase al láser de excitación. Ajusta su frecuencia a través del rango de energía del conjunto de puntos cuánticos.

Observe la fotoluminiscencia emitida con la cámara CCD conectada al espectrómetro. Un punto cuántico excitado resonantemente aparecerá como un disco rodeado de anillos conocidos como patrón de área. Seleccione un punto cuántico brillante con el que trabajar.

Maximice la intensidad de fotoluminiscencia del punto ajustando la longitud de onda del láser de excitación resonante. Ajuste conjuntamente E1 lateralmente y E2 axialmente para lograr la máxima intensidad. Esta serie de imágenes proviene de un punto cuántico neutro a diferentes desafinaciones, como se indica en gigahercios en la parte superior de cada imagen.

A modo de comparación, esta serie proviene de un punto cuántico cargado a diferentes desafinaciones que también se indican en la parte superior de las imágenes. El estado de carga no se puede determinar únicamente utilizando el espectro. Utilizando las imágenes de puntos cuánticos neutros e integrando la intensidad dentro de un radio de cuatro píxeles del centro de la imagen se obtiene el espectro.

Este espectro es el resultado de un procedimiento similar con las imágenes de puntos cuánticos cargados y un radio de seis píxeles. Los puntos naranjas representan la intensidad de excitación de la fotoluminiscencia resonante normalizada. Los cuadrados azules son datos del conjunto correspondiente de imágenes.

Estas imágenes provienen de ocho puntos cuánticos diferentes con diferentes longitudes de onda resonantes que aumentan monótonamente de izquierda a derecha. El patrón de un disco de área central con anillos circundantes es la imagen típica de un punto cuántico. Los radios de los anillos y el disco varían debido a la interdependencia de las longitudes de onda y los ángulos de emisión de los modos de cavidad.

Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades con la luz láser en la guía de onda de la muestra porque la alineación es muy sensible y el elemento de costo debe realizarse a temperatura ambiente. Una vez que se preparan los componentes experimentales, la alineación se puede realizar en un par de horas si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante monitorear las franjas de interferencia para posicionar correctamente los láseres de excitación y las imágenes de alta calidad de la superficie de la muestra son críticas para permitir la alineación de las rutas de excitación y detección.

Siguiendo este procedimiento, la ruta de detección se puede modificar para incluir otros elementos, como un analizador de polarización o un interferómetro de Fabry-Perot sintonizable. Esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la óptica cuántica de estado sólido exploraran fenómenos resonantes en estructuras de dimensión cero, como los puntos cuánticos. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo lograr la excitación resonante de un punto cuántico y la detección simultánea de fluorescencia utilizando los modos de excitación y detección ortogonales.