Fluorescence de résonance d’un point de InGaAs quantique dans une cavité plane à l’aide de détection et Excitation Orthogonal

L’objectif global de ce protocole est d’obtenir l’excitation résonnante d’un point quantique et la détection simultanée de la fluorescence à l’aide de modes d’excitation et de détection orthogonaux. La réalisation de l’excitation résonnante avec la détection de fluorescence est essentielle pour étudier les interactions entre la matière légère dans les nanostructures de faible dimension, et elle a été utilisée pour illustrer les effets optiques quantiques tels que les états de robe. Le principal avantage de cette technique est qu’elle utilise l’orthogonalité entre les modes d’excitation et de détection pour minimiser la collecte de diffusion laser qui préserve la polarisation de fluorescence

Cette technique a des implications pour les sources de photons uniques hautement indiscernables basées sur des points quantiques et pour le contrôle et la mesure cohérents des spins des électrons dans les points quantiques. Installer les éléments de l’expérience sur un banc optique. Un cryostat pour contenir l’échantillon est au centre de l’expérience.

Les éléments optiques dirigent et focalisent la sortie de trois sources lumineuses. Ce schéma donne une vue d’ensemble de la configuration. Encore une fois, l’échantillon conservé dans un cryostat se trouve au centre.

L’une des sources lumineuses est un laser à diode à cavité externe utilisé pour l’excitation résonnante. Un autre est un laser à hélium et au néon utilisé pour l’excitation au-dessus de la courbure. Il y a aussi une LED pour l’éclairage.

Le faisceau laser à excitation résonante passe à travers un polariseur et pénètre par une fenêtre du cryostat. Les lentilles E1 et E2 forment un télescope capillaire. E1 est sur une platine XY pour permettre de déplacer le point d’excitation latéralement.

E2 est dans un boîtier de zoom pour permettre de varier la profondeur de champ. La lumière de la source d’éclairage et du laser à hélium pénètre dans l’autre fenêtre du cryostat. À l’intérieur de l’échantillon, la lumière interagit avec les points quantiques d’arséniure d’indium et de gallium intégrés entre deux réflecteurs de Bragg distribués.

La face clivée de l’échantillon est exposée au laser d’excitation résonnante. La photoluminescence de la boîte quantique se déplace le long du chemin optique du laser à hélium néon. Il passe à travers un deuxième télescope capillaire de conception similaire au premier mais avec un grossissement unitaire.

Une caméra est en position pour capter la lumière de l’échantillon afin de faciliter l’alignement. Un spectromètre est en position pour collecter la photoluminescence de l’échantillon pour l’analyse de l’intensité et du spectre. La position d’un miroir inversé M1 détermine si la lumière va à la caméra ou au spectromètre.

La première étape consiste à préparer un échantillon pour l’expérience. Les échantillons de l’expérience sont clivés à partir d’un échantillon plus grand cultivé par épitaxie par faisceau moléculaire. En plus de l’échantillon, ayez à portée de main une plaque d’échantillon en cuivre, une peinture thermoconductrice, un scribe en diamant et une pince à épiler à bout plat.

Approchez-vous de l’échantillon avec le scribe diamanté. Utilisez-le pour faire une petite égratignure sur le bord de la surface supérieure de l’échantillon. Ensuite, utilisez la pince à épiler pour maintenir l’échantillon de chaque côté de la rayure et appliquez un couple de rotation vers l’extérieur.

Déplacez l’échantillon clivé sur la plaque d’échantillon en cuivre et fixez-le avec la peinture thermoconductrice. Ensuite, apportez la plaque d’échantillon de cuivre au cryostat pour la monter. Assurez-vous que l’échantillon est correctement orienté pour l’expérience.

L’étape suivante consiste à installer une lentille d’objectif asphérique dans le cryostat. Cet objectif est fixé dans une monture translationnelle à trois degrés de liberté. Il appartient au chemin du laser d’excitation résonante et concentre la lumière sur l’extrémité clivée de l’échantillon.

Au début, l’objectif doit être à plus d’une distance focale de l’échantillon. Avec la lentille dans le cryostat, allumez le laser d’excitation et centrez la lentille dessus. La hauteur de la lentille doit être la même que celle du centre de l’échantillon.

Ensuite, installez un écran de papier blanc dans le trajet du laser derrière l’échantillon et observez l’écran avec une visionneuse infrarouge. Il doit y avoir un point lumineux en raison de la lumière transmise à travers l’échantillon. Déplacez lentement l’objectif vers l’échantillon.

Observez l’écran à travers le visualiseur et arrêtez-vous lorsqu’une image claire de la silhouette de l’échantillon apparaît. Ajustez la position de l’objectif pour centrer la silhouette au centre du point lumineux. Continuez à déplacer lentement la lentille vers l’échantillon.

L’image de la silhouette à l’écran sera agrandie et peut se déplacer horizontalement. Continuez à ajuster l’objectif pour centrer l’image et agrandissez-la jusqu’à ce que des franges d’interférence soient visibles. Déplacez lentement l’objectif vers l’échantillon.

À chaque position de profondeur, surveillez les franges en faisant glisser l’objectif à gauche et à droite. Déplacez l’objectif dans une position qui maximise l’espacement entre les deux groupes de franges et fixez-le. Ajustez ensuite la position latérale de l’objectif pour minimiser les franges sur l’écran en papier.

Ensuite, ajustez le télescope capillaire dans le chemin d’excitation. Les deux lentilles doivent être centrées sur le faisceau laser à excitation résonnante. En se référant au schéma, positionnez la lentille E2 de manière à ce qu’elle et la lentille asphérique soient séparées par la somme de leurs distances focales.

Définissez également la séparation entre E1 et E2 comme étant la somme de leurs distances focales. Utilisez la visionneuse infrarouge pour observer le motif de diffraction sur l’écran de papier tout en ajustant la hauteur de l’objectif E1. Le but est d’observer à nouveau les franges d’interférence. Faites glisser E2 vers l’avant et vers l’arrière tout en surveillant les franges en faisant glisser E1 à gauche et à droite.

Placez E2 à l’endroit où les groupes de franges sont les plus éloignés. Enfin, ajustez l’objectif E1 latéralement pour que les franges disparaissent ou soient minimisées. Retirez l’écran et continuez à placer et à aligner les éléments optiques restants.

Refroidissez l’échantillon à 4,2 Kelvin et préparez-le pour la spectrométrie. L’appareil doit être configuré comme dans ce schéma. Expulsez l’échantillon avec le laser hélium-néon et dirigez la photoluminescence de l’échantillon vers le spectromètre.

À partir du spectre d’émission mesuré résultant, identifiez le pic d’émission entre 860 et 900 nanomètres. Cela correspond à l’émission de la couche de mouillage. Pour la mesure suivante, modifiez la configuration pour utiliser la caméra.

Utilisez un filtre passe-long devant l’appareil photo pour bloquer la lumière néon à l’hélium. Allumez également le voyant d’éclairage. Déplacez l’objectif L2 latéralement tout en observant l’image de l’appareil photo.

L’exemple d’image sera déplacé(e) par le mouvement de l’objectif. Arrêtez-vous après avoir localisé le bord clivé de l’échantillon. Allumez maintenant le laser d’excitation résonnante avec la longueur d’onde réglée pour être en résonance avec la couche de mouillage.

Sur l’appareil photo, identifiez un point de diffusion brillant sur le bord clivé de l’échantillon. Ensuite, ajustez la position horizontale de E1. L’objectif est d’observer un motif de photoluminescence sur la caméra et de maximiser son intensité. Déplacez ensuite E1 verticalement pour chevaucher la traînée avec le point de photoluminescence causé par l’excitation de l’hélium néon.

Surveillez et enregistrez l’intensité de la photoluminescence. Ajustez systématiquement les verres E1 et E2 pour maximiser l’intensité. Modifiez la configuration pour utiliser le spectromètre.

Réglez-le pour surveiller la diffraction du premier ordre au centre de la longueur d’onde d’émission de l’ensemble de points quantiques. Ensuite, passez au laser d’excitation. Réglez sa fréquence sur toute la gamme d’énergie de l’ensemble de points quantiques.

Observez la photoluminescence émise avec la caméra CCD fixée au spectromètre. Un point quantique excité par résonance apparaîtra sous la forme d’un disque entouré d’anneaux connu sous le nom de motif de surface. Sélectionnez un point quantique brillant avec lequel travailler.

Maximisez l’intensité de photoluminescence du point en ajustant avec précision la longueur d’onde du laser d’excitation résonnante. Ajustez conjointement E1 latéralement et E2 axialement pour obtenir une intensité maximale. Cette série d’images provient d’un point quantique neutre à différentes détonations, comme indiqué en gigahertz en haut de chaque image.

À titre de comparaison, cette série provient d’un point quantique chargé à différentes détonations également indiquées en haut des images. L’état chargé ne peut pas être déterminé uniquement à l’aide du spectre. En utilisant les images à points quantiques neutres et en intégrant l’intensité dans un rayon de quatre pixels du centre de l’image, on obtient le spectre.

Ce spectre est le résultat d’une procédure similaire avec des images de points quantiques chargés et un rayon de six pixels. Les points orange représentent l’intensité d’excitation de la photoluminescence résonante normalisée. Les carrés bleus sont des données de l’ensemble d’images correspondant.

Ces images proviennent de huit points quantiques différents avec différentes longueurs d’onde de résonance qui augmentent de manière monotone de gauche à droite. Le motif d’un disque de zone centrale avec des anneaux environnants est l’image typique d’un point quantique. Les rayons des anneaux et du disque varient en raison de l’interdépendance des longueurs d’onde et des angles d’émission des modes de cavité.

En général, les personnes qui ne connaissent pas cette méthode auront du mal à utiliser la lumière laser dans le guide d’ondes de l’échantillon, car l’alignement est très sensible et l’élément de coût doit être effectué à température ambiante. Une fois les composants expérimentaux préparés, l’alignement peut être effectué en quelques heures s’il est effectué correctement. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de surveiller les franges d’interférence pour positionner correctement les lasers d’excitation et une imagerie de haute qualité de la surface de l’échantillon est essentielle pour permettre l’alignement des chemins d’excitation et de détection.

À la suite de cette procédure, le chemin de détection peut être modifié pour inclure d’autres éléments tels qu’un analyseur de polarisation ou un interféromètre Fabry-Perot accordable. Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de l’optique quantique à l’état solide pour explorer les phénomènes de résonance dans les structures de dimension zéro telles que les points quantiques. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’obtenir l’excitation résonnante d’un point quantique et la détection simultanée de la fluorescence à l’aide des modes d’excitation et de détection orthogonaux.