קרינה פלואורסצנטית תהודה של נקודה InGaAs קוונטית בחלל מישורי באמצעות עירור אורתוגונלית וזיהוי
13 באוקטובר 2017
עירור התהודה של נקודה קוונטית עצמית שהורכב יחיד יכולה להיות מושגת באמצעות מצב עירור אורתוגונלית למצב אוסף זריחה. נדגים שיטה באמצעות גלבו מצבי פאברי-פרו microcavity מישורי המקיפים את הנקודות קוונטית. השיטה מאפשרת חופש מוחלט קיטוב זיהוי.
המטרה הכוללת של פרוטוקול זה היא להשיג עירור תהודה של נקודה קוונטית וזיהוי פלואורסצנטי בו זמנית באמצעות מצבי עירור וזיהוי אורתוגונליים. מימוש עירור תהודה עם זיהוי פלואורסצנטי חיוני לחקר אינטראקציות של חומר אור במבנים ננומטריים נמוכים והוא שימש להמחשת השפעות אופטיות קוונטיות כגון מצבי לבוש. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא משתמשת באורתוגונליות בין מצבי העירור והזיהוי כדי למזער את איסוף פיזור הלייזר השומר על קיטוב הקרינה.
לטכניקה זו יש השלכות על מקורות מבוססי נקודות קוונטיות של פוטונים בודדים שאינם ניתנים להבחנה ועל בקרה ומדידה קוהרנטית של ספינים אלקטרונים בנקודות קוונטיות. הגדר את מרכיבי הניסוי על ספסל אופטי. קריוסטט שיחזיק את הדגימה נמצא במרכז הניסוי.
האלמנטים האופטיים מכוונים וממקדים את הפלט של שלושה מקורות אור. סכימה זו מספקת סקירה כללית של ההגדרה. שוב, הדגימה המוחזקת בקריוסטט נמצאת במרכז.
מקור אור אחד הוא לייזר דיודת חלל חיצוני המשמש לעירור תהודה. אחר הוא לייזר ניאון הליום המשמש לעירור מעל כיפוף. יש גם נורית LED לתאורה.
קרן הלייזר העירור התהודה עוברת דרך מקטב ונכנסת דרך חלון אחד של הקריוסטט. העדשות E1 ו-E2 יוצרות טלסקופ קפילריאני. E1 נמצא על שלב XY כדי לאפשר הזזת נקודת העירור לרוחב.
E2 נמצא במארז זום כדי לאפשר שינוי עומק המיקוד. אור ממקור התאורה ולייזר ניאון הליום נכנס לחלון השני של הקריוסטט. בתוך הדגימה, האור מקיים אינטראקציה עם הנקודות הקוונטיות של אינדיום גליום ארסניד המשובצות בין שני מחזירי בראג מבוזרים.
הפנים השסועות של הדגימה חשופות ללייזר עירור התהודה. פוטו-לומינסנציה מהנקודה הקוונטית נוסעת בחזרה לאורך הנתיב האופטי של לייזר הליום ניאון. הוא עובר דרך טלסקופ קפילריאני שני עם עיצוב דומה לראשון אך עם הגדלה של אחדות.
מצלמה נמצאת בעמדה ללכוד את האור מהדגימה על מנת להקל על היישור. ספקטרומטר נמצא בעמדה לאסוף את הפוטו-לומינסנציה מהדגימה לצורך עוצמה וניתוח ספקטרלי. המיקום של מראה הפוכה M1 קובע אם האור עובר למצלמה או לספקטרומטר.
השלב הראשון הוא הכנת דגימה לניסוי. דגימות ניסוי נחתכות מדגימה גדולה יותר שגדלה באמצעות אפיטקסיה של קרן מולקולרית. בנוסף לדגימה, הכינו לוחית דגימת נחושת, צבע מוליך תרמית, סופר יהלומים ופינצטה שטוחה.
גש לדוגמא עם סופר היהלומים. השתמש בו כדי ליצור שריטה קטנה בקצה המשטח העליון של הדגימה. לאחר מכן השתמש בפינצטה כדי להחזיק את הדגימה מכל צד של השריטה ולהפעיל מומנט מסתובב כלפי חוץ.
העבר את הדגימה השסועה ללוחית דגימת הנחושת והצמד אותה עם הצבע המוליך תרמית. לאחר מכן, קח את לוחית דגימת הנחושת לקריוסטט כדי להרכיב אותה. ודא שהדגימה מכוונת נכון לניסוי.
השלב הבא הוא התקנת עדשת אובייקטיביות אספרית בקריוסטט. עדשה זו מאובטחת בתושבת תרגום עם שלוש דרגות חופש. הוא שייך לנתיב לייזר עירור התהודה וממקד את האור לקצה השסוע של הדגימה.
בהתחלה, העדשה צריכה להיות יותר מאורך מוקד אחד מהדגימה. כשהעדשה בקריוסטט, הפעל את לייזר העירור ומרכז עליו את העדשה. גובה העדשה צריך להיות זהה לזה של מרכז הדגימה.
לאחר מכן, הגדר מסך נייר לבן בנתיב הלייזר מאחורי הדגימה והתבונן במסך עם מציג אינפרא אדום. צריכה להיות נקודה בהירה בגלל האור המועבר דרך הדגימה. תרגם לאט את העדשה לכיוון הדגימה.
התבונן במסך דרך הצופה ועצור כאשר מופיעה תמונת צללית ברורה של הדגימה. כוונן את מיקום העדשה כדי למרכז את הצללית במרכז הנקודה הבהירה. המשך לתרגם לאט את העדשה לכיוון הדגימה.
תמונת הצללית על המסך תגדל ועשויה להשתנות אופקית. המשך לכוונן את העדשה כדי למרכז את התמונה ולהגדיל אותה עד ששולי הפרעות נראים לעין. תרגם לאט את העדשה לכיוון הדגימה.
בכל עמדת עומק, עקוב אחר השוליים על ידי החלקת המטרה שמאלה וימינה. הזז את העדשה למיקום שמגדיל את המרווח בין שתי קבוצות השוליים ואבטח אותה. לאחר מכן כוונן את מיקום העדשה הצדדית כדי למזער את השוליים על מסך הנייר.
לאחר מכן, כוונן את הטלסקופ הקפילריאני בנתיב העירור. שתי העדשות צריכות להיות מרוכזות בקרן הלייזר העירור התהודה. בהתייחס לעדשה הסכמטית, מיקום E2 כך שהיא והעדשה האספרית מופרדים בסכום אורכי המוקד שלהם.
כמו כן, הגדר את ההפרדה בין E1 ל-E2 כסכום אורכי המוקד שלהם. השתמש ב-infrared viewer כדי לצפות בתבנית העקיפה על מסך הנייר תוך כוונון גובה העדשה E1. המטרה היא להתבונן שוב בשולי ההפרעה. החלק את E2 קדימה ואחורה תוך ניטור השוליים על ידי החלקת E1 שמאלה וימינה.
מקם את E2 במיקום שבו קבוצות השוליים רחוקות ביותר זו מזו. לבסוף, כוונן את עדשת E1 לרוחב כדי שהשוליים ייעלמו או יצטמצמו. הסר את המסך והמשך למקם וליישר את האלמנטים האופטיים הנותרים.
מצננים את הדגימה ל -4.2 קלווין ומתכוננים לספקטרומטריה. יש להגדיר את המנגנון כמו בסכימה זו. לרגש את הדגימה עם לייזר ניאון הליום ולכוון את הפוטו-לומינסנציה מהדגימה לספקטרומטר.
מספקטרום הפליטה הנמדד המתקבל, זהה את שיא הפליטה בין 860 ל-900 ננומטר. זה מתאים לפליטה משכבת ההרטבה. למדידה הבאה, שנה את התצורה לשימוש במצלמה.
השתמש במסנן מעבר ארוך מול המצלמה כדי לחסום את אור ההליום ניאון. כמו כן, הדליקו את נורית התאורה. הזז את העדשה L2 לרוחב תוך התבוננות בתמונת המצלמה.
התמונה לדוגמה תעבור פנורמה על-ידי תנועת העדשה. עצור לאחר איתור הקצה השסוע של הדגימה. כעת הפעל את לייזר העירור התהודה כאשר אורך הגל מוגדר להדהד עם שכבת ההרטבה.
במצלמה, זהה נקודת פיזור בהירה בקצה השסוע של הדגימה. לאחר מכן, התאם את המיקום האופקי של E1. המטרה היא לצפות בדפוס פס של פוטו-לומינסנציה על המצלמה ולמקסם את עוצמתו. לאחר מכן הזז את E1 אנכית כדי לחפוף את הפס עם נקודת הפוטו-לומינסנציה הנגרמת על ידי עירור ניאון ההליום.
נטר ורשום את עוצמת הפוטו-לומינסנציה. התאם באופן שיטתי את העדשות E1 ו-E2 כדי למקסם את העוצמה. שנה את התצורה בחזרה כדי להשתמש בספקטרומטר.
הגדר אותו כדי לנטר את העקיפה מסדר ראשון במרכז אורך גל הפליטה של אנסמבל הנקודות הקוונטיות. לאחר מכן, עברו ללייזר העירור. כוונן את התדר שלו על פני טווח האנרגיה של אנסמבל הנקודות הקוונטיות.
התבונן בפוטו-לומינסנציה הנפלטת עם מצלמת ה-CCD המחוברת לספקטרומטר. נקודה קוונטית נרגשת בתהודה תופיע כדיסקה המוקפת בטבעות הידועות כתבנית שטח. בחר נקודה קוונטית בהירה לעבודה.
מקסם את עוצמת הפוטו-לומינסנציה של הנקודה על ידי כוונון עדין של אורך הגל של לייזר עירור התהודה. כוונן במשותף את E1 לרוחב ואת E2 באופן צירי כדי להשיג עוצמה מרבית. סדרת תמונות זו היא מנקודה קוונטית ניטרלית בניתוק שונה כפי שמצוין בג'יגה-הרץ בחלק העליון של כל תמונה.
לשם השוואה, סדרה זו היא מנקודה קוונטית טעונה בניתוק שונה המצוין גם בחלק העליון של התמונות. לא ניתן לקבוע את המצב הטעון אך ורק באמצעות הספקטרום. שימוש בתמונות הנקודות הקוונטיות הנייטרליות ושילוב העוצמה ברדיוס של ארבעה פיקסלים ממרכז התמונה מניב את הספקטרום.
ספקטרום זה הוא תוצאה של הליך דומה עם תמונות הנקודות הקוונטיות הטעונות ורדיוס של שישה פיקסלים. הנקודות הכתומות מייצגות את עוצמת עירור הפוטו-לומינסנציה התהודה המנורמלת. הריבועים הכחולים הם נתונים מקבוצת התמונות המתאימה.
תמונות אלה הן משמונה נקודות קוונטיות שונות עם אורכי גל תהודה שונים הגדלים באופן מונוטוני משמאל לימין. התבנית של דיסק שטח מרכזי עם טבעות מקיפות היא התמונה האופיינית לנקודה קוונטית. רדיוסי הטבעות והדיסק משתנים בגלל התלות ההדדית של אורכי הגל וזוויות הפליטה של מצבי החלל.
בדרך כלל, אנשים חדשים בשיטה זו יתקשו עם אור לייזר לתוך מוביל הגל של הדגימה מכיוון שהיישור רגיש מאוד ואלמנט העלות חייב להיעשות בטמפרטורת החדר. לאחר הכנת רכיבי הניסוי, ניתן לבצע את היישור תוך מספר שעות אם הוא מבוצע כראוי. בזמן ניסיון הליך זה, חשוב לנטר את שולי ההפרעה כדי למקם נכון את לייזרי העירור והדמיה באיכות גבוהה של משטח הדגימה היא קריטית כדי לאפשר יישור של נתיבי העירור והזיהוי.
בעקבות הליך זה, ניתן לשנות את נתיב הזיהוי כך שיכלול אלמנטים נוספים כגון מנתח קיטוב או אינטרפרומטר Fabry-Perot מתכוונן. טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום האופטיקה הקוונטית במצב מוצק לחקור תופעות תהודה במבנים אפסיים ממדיים כגון נקודות קוונטיות. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד להשיג עירור תהודה של נקודה קוונטית וזיהוי פלואורסצנטי בו זמנית באמצעות מצבי עירור וזיהוי אורתוגונליים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה להשגת עירור רזוננסי של נקודה קוונטית תוך כדי גילוי פלואורסצנציה בו-זמנית באמצעות מצבי עירור וגילוי אורתוגונליים. גישה זו ממזערת את פיזור הלייזר, שומרת על קיטוב הפלואורסצנציה ומשפרת את חקר האינטראקציות בין אור לחומר.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- אופטיקה קוונטית
- ננו-מבנים
- גילוי פלואורסצנציה
רקע
- עירור רזוננסי הוא קריטי לחקר אינטראקציות אור-חומר.
- נקודות קוונטיות משמשות להמחשת אפקטים של אופטיקה קוונטית.
- מצבים אורתוגונליים מסייעים להפחית הפרעות הנובעות מפיזור לייזר.
- לטכניקה זו יש השלכות על מקורות פוטון יחיד ובקרה על ספין של אלקטרונים.
מטרת המחקר
- להשגת עירור רזוננסי של נקודות קוונטיות.
- לאפשר גילוי פלואורסצנציה סימולטני.
- לחקור אפקטים אופטיים קוונטיים במבנים בעלי ממדיות נמוכה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הקמה על שולחן אופטי.
- שימוש בקריוסטט להחזקת הדגימה.
- יישום של מצבי עירור וגילוי אורתוגונליים.
- ניצול של מודים של מוליך גל ושל Fabry-Perot במיקרו-חלל מישורי.
תוצאות עיקריות
- עירור רזוננטי מוצלח של נקודה קוונטית בודדת.
- הדגמה של שימור קיטוב פלואורסצנציה.
- צמצום איסוף של פיזור לייזר.
- יישומים פוטנציאליים באופטיקה קוונטית ומדידת ספין.
מסקנות
- השיטה משפרת את חקר הנקודות הקוונטיות במערכות בעלות ממד נמוך.
- היא מספקת מסגרת לניסויים אופטיים קוונטיים עתידיים.
- מצבי עירור וגילוי אורתוגונליים יעילים בשימור שלמות האות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטה זו מאפשרת עירור רזוננטי וגילוי פלואורסצנציה של נקודות קוונטיות תוך מזעור פיזור הלייזר, ובכך שומרת על נאמנות האות עבור מדידות אופטיות קוונטיות. היא תומכת בפיתוח של מקורות פוטון-בודד בעלי מידת אי-הבחנה גבוהה ובבקרה קוהרנטית של ספין, הרלוונטיים לטכנולוגיות של חישה קוונטית ותקשורת מאובטחת. גאומטריית עירור-גילוי האורתוגונלית מספקת גישה ניתנת להרחבה לבדיקת אינטראקציות אור-חומר במערכות קוונטיות במצב מוצק.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה של תכונות הפליטה של נקודות קוונטיות תחת עירור רזוננסי, ובכך תומך בתיקוף של מודלים אופטיים קוונטיים.
- ערך תפעולי: מפחית הפרעות רקע מפיזור לייזר, ובכך משפר את יחס האות לרעש במדידות פלואורסצנציה.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- ערך מדעי: מקל על הכנת מערכות של נקודות קוונטיות עבור בדיקות פוטוניות בהמשך, על ידי מתן נתיבי עירור וזיהוי נקיים.
- ערך תפעולי: משתמש במודים אורתוגונליים כדי לבודד את אות הפלואורסצנציה, ובכך משפר את הספציפיות והשחזוריות של הבדיקה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך בהערכת התנהגות נקודות קוונטיות בסביבות המועצמות על ידי חלל (cavity-enhanced), דבר הרלוונטי לפלטפורמות של חיישני סמנים ביולוגיים.
- ערך תפעולי: מאפשר זיהוי פלואורסצנציה במיפוי קטב (polarization-resolved), המועיל לקריאות אופטיות מרובות-ערוצים (multiplexed) בביו-סנסינג.
שילוב זרימת עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
טכניקה זו משתלבת ברצף הגילוי על ידי כך שהיא מאפשרת בקיאות אופטית מדויקת של פולטים בננו-קנה מידה, ובכך תומכת בתיקוף בשלבים מוקדמים של גששים המבוססים על נקודות קוונטיות לפני שילובם בתהליכי עבודה של חישוש או דימות.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת היפותזות של מאפייני פליטה של נקודות קוונטיות תחת עירור תהודה מבוקר.
- סריקה: מספקת פלטי פלואורסצנציה כמותיים השומרים על קיטוב, המתאימים לפלטפורמות סריקה אוטומטיות.
- אנליטיקה: מספקת קריאות ספקטרליות ועוצמתיות המאפשרות השוואה בין תנאי עירור ומצבי נקודות קוונטיות.
- מחקר תרגומי: מתחברת לרצף פרה-קליני על ידי אפשור זיהוי פלואורסצנציה יציב עם רקע נמוך לפיתוח חיישנים ביולוגיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת תצורה אופטית ניתנת לשימוש חוזר עבור עירור תהודה וזיהוי במגוון דגימות של נקודות קוונטיות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון ניבוי בתכונות הפליטה של נקודות קוונטיות באמצעות מזעור הרקע ושימור קיטוב.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של נתיבי העירור והגילוי באמצעות יישור אורתוגונלי, המשפרת את השחזוריות.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות לגבי התאמתן של נקודות קוונטיות ליישומים פוטוניים על בסיס נתוני פלואורסצנציה נקיים.
- השפעה על תיק הפעילות: תומך בתיעוד עדיפויות מותאם סיכון של טכנולוגיות נקודות קוונטיות עבור חיישנים קוונטיים ותשתיות תקשורת מאובטחת.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות באופטיקה קוונטית, טיפול בדגימות קריוגניות וכיול אופטי.
- תלוי ברכיבים אופטיים מדויקים הכוללים לייזרים כיווניים, טלסקופים קפילריים וספקטרומטרים.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית לנהלי כיול ופירוש נתונים בין צוותי פיזיקה והנדסה.
- כולל שיקולי התאמה עבור חומרים שונים של נקודות קוונטיות ועיצובי חלל (cavity).
- מוגבל על ידי רגישות הכיול לסחיפה מכנית והצורך בהפעלה בטמפרטורה נמוכה.
שאלות נפוצות בנושאי ביו-פארמה
Chapters in this video
0:05
Title
0:52
The Experimental Setup
3:02
Sample Preparation
4:08
Installation of the Excitation Objective
6:21
Alignment of Telescope Lenses in the Excitation Path
7:44
Overlap of the Photoluminescence Collection Path with the Resonant Excitation Path
9:29
Resonant Excitation of a Single Quantum Dot by Spectral Searching
10:33
Results: Resonance Fluorescence of Single Quantum Dots
11:46
Conclusion
