Fluorescenza di risonanza di un puntino di InGaAs Quantum in una cavità planare usando rilevazione ed eccitazione ortogonale

L'obiettivo generale di questo protocollo è quello di ottenere l'eccitazione risonante di un punto quantico e il rilevamento simultaneo della fluorescenza utilizzando le modalità di eccitazione e rilevamento ortogonale. La realizzazione dell'eccitazione risonante con il rilevamento della fluorescenza è essenziale per lo studio delle interazioni luce-materia in nanostrutture a bassa dimensionalità ed è stata utilizzata per illustrare effetti ottici quantistici come gli stati di vestizione. Il vantaggio principale di questa tecnica è che utilizza l'ortogonalità tra le modalità di eccitazione e di rilevamento per ridurre al minimo la raccolta di scattering laser che preserva la polarizzazione della fluorescenza.

Questa tecnica ha implicazioni per le sorgenti basate su punti quantici di singoli fotoni altamente indistinguibili e per il controllo coerente e la misurazione degli spin degli elettroni nei punti quantici. Posiziona gli elementi dell'esperimento su un banco ottico. Un criostato per contenere il campione è al centro dell'esperimento.

Gli elementi ottici dirigono e focalizzano l'emissione di tre sorgenti luminose. Questo schema fornisce una panoramica della configurazione. Anche in questo caso, il campione contenuto in un criostato è al centro.

Una sorgente luminosa è un laser a diodi a cavità esterna utilizzato per l'eccitazione risonante. Un altro è un laser al neon ad elio utilizzato per l'eccitazione sopra la curva. C'è anche un LED per l'illuminazione.

Il raggio laser di eccitazione risonante passa attraverso un polarizzatore ed entra attraverso una finestra del criostato. Le lenti E1 ed E2 formano un telescopio capillare. E1 si trova su uno stadio XY per consentire lo spostamento laterale del punto di eccitazione.

E2 è in un alloggiamento dello zoom per consentire di variare la profondità di messa a fuoco. La luce proveniente dalla sorgente di illuminazione e dal laser al neon ad elio entra nell'altra finestra del criostato. All'interno del campione, la luce interagisce con i punti quantici di arseniuro di indio gallio incorporati tra due riflettori di Bragg distribuiti.

La faccia tagliata del campione è esposta al laser di eccitazione risonante. La fotoluminescenza del punto quantico viaggia indietro lungo il percorso ottico del laser al neon ad elio. Passa attraverso un secondo telescopio capillare con un design simile al primo ma con ingrandimento unitario.

Una telecamera è in posizione per catturare la luce dal campione al fine di facilitare l'allineamento. Uno spettrometro è in posizione per raccogliere la fotoluminescenza dal campione per l'intensità e l'analisi spettrale. La posizione di uno specchio ribaltabile M1 determina se la luce va alla fotocamera o allo spettrometro.

Il primo passo è preparare un campione per l'esperimento. I campioni dell'esperimento vengono separati da un campione più grande coltivato utilizzando l'epitassia a fasci molecolari. Oltre al campione, tieni a portata di mano una piastra campione di rame, vernice termicamente conduttiva, un graffietto a diamante e una pinzetta a estremità piatta.

Avvicinati al campione con lo scriba di diamanti. Usalo per fare un piccolo graffio sul bordo della superficie superiore del campione. Quindi usa le pinzette per tenere il campione su ciascun lato del graffio e applica una coppia di rotazione verso l'esterno.

Spostare il campione tagliato sulla piastra del campione di rame e fissarlo con la vernice termicamente conduttiva. Quindi, portare la piastra campione di rame al criostato per montarla. Assicurarsi che il campione sia orientato correttamente per l'esperimento.

Il passo successivo consiste nell'installare un obiettivo asferico nel criostato. Questo obiettivo è fissato in una montatura traslazionale con tre gradi di libertà. Appartiene al percorso del laser di eccitazione risonante e focalizza la luce verso l'estremità tagliata del campione.

All'inizio, la lente dovrebbe essere a più di una lunghezza focale dal campione. Con la lente nel criostato, accendere il laser di eccitazione e centrare la lente su di esso. L'altezza della lente deve essere uguale a quella del centro del campione.

Quindi, imposta uno schermo di carta bianca nel percorso laser dietro il campione e osserva lo schermo con un visore a infrarossi. Dovrebbe esserci un punto luminoso a causa della luce trasmessa attraverso il campione. Traslare lentamente la lente verso il campione.

Osserva lo schermo attraverso il visualizzatore e fermati quando appare un'immagine chiara della silhouette del campione. Regolare la posizione dell'obiettivo per centrare la silhouette al centro del punto luminoso. Continuare a traslare lentamente la lente verso il campione.

L'immagine della silhouette sullo schermo verrà ingrandita e potrebbe spostarsi orizzontalmente. Continuare a regolare l'obiettivo per centrare l'immagine e ingrandirla fino a quando non sono visibili le frange di interferenza. Traslare lentamente la lente verso il campione.

Ad ogni posizione di profondità, monitorare le frange facendo scorrere l'obiettivo a sinistra e a destra. Spostare l'obiettivo in una posizione che massimizzi la spaziatura tra i due gruppi di frange e fissarlo. Quindi regolare la posizione laterale dell'obiettivo per ridurre al minimo le frange sullo schermo di carta.

Quindi, regolare il telescopio capillare nel percorso di eccitazione. Le due lenti devono essere centrate sul raggio laser di eccitazione risonante. Facendo riferimento allo schema, posizionare la lente E2 in modo che essa e la lente asferica siano separate dalla somma delle loro lunghezze focali.

Inoltre, imposta la separazione tra E1 ed E2 in modo che sia la somma delle loro lunghezze focali. Utilizzare il visualizzatore a infrarossi per osservare il modello di diffrazione sullo schermo di carta mentre si regola l'altezza dell'obiettivo E1. L'obiettivo è quello di osservare nuovamente le frange di interferenza. Far scorrere E2 avanti e indietro mentre si monitorano le frange facendo scorrere E1 a sinistra e a destra.

Posizionare E2 nella posizione in cui i gruppi marginali sono più distanti tra loro. Infine, regolare lateralmente l'obiettivo E1 per far scomparire o ridurre al minimo le frange. Rimuovere lo schermo e continuare a posizionare e allineare gli elementi ottici rimanenti.

Raffreddare il campione a 4,2 Kelvin e prepararsi per la spettrometria. L'apparecchio deve essere configurato come in questo schema. Eccita il campione con il laser al neon ad elio e dirigi la fotoluminescenza dal campione allo spettrometro.

Dallo spettro di emissione misurato risultante, identificare il picco di emissione tra 860 e 900 nanometri. Ciò corrisponde all'emissione dallo strato bagnante. Per la misurazione successiva, modificare la configurazione per l'utilizzo della fotocamera.

Usa un filtro passa-lungo davanti alla fotocamera per bloccare la luce al neon all'elio. Inoltre, accendi la luce di illuminazione. Spostare lateralmente l'obiettivo L2 mentre si osserva l'immagine della telecamera.

L'immagine di esempio verrà spostata dal movimento dell'obiettivo. Fermarsi dopo aver individuato il bordo tagliato del campione. Ora accendi il laser di eccitazione risonante con la lunghezza d'onda impostata per essere risonante con lo strato di bagnatura.

Sulla fotocamera, identificare un punto di dispersione luminoso sul bordo tagliato del campione. Quindi, regolare la posizione orizzontale di E1. L'obiettivo è quello di osservare un modello di strisce di fotoluminescenza sulla fotocamera e di massimizzarne l'intensità. Quindi spostare E1 verticalmente per sovrapporre la striscia con il punto di fotoluminescenza causato dall'eccitazione al neon di elio.

Monitora e registra l'intensità della fotoluminescenza. Regola sistematicamente le lenti E1 ed E2 per massimizzare l'intensità. Modificare nuovamente la configurazione per utilizzare lo spettrometro.

Configuralo per monitorare la diffrazione del primo ordine al centro della lunghezza d'onda di emissione dell'insieme di punti quantici. Quindi, passa al laser di eccitazione. Sintonizza la sua frequenza attraverso l'intervallo di energia dell'insieme di punti quantici.

Osservare la fotoluminescenza emessa con la telecamera CCD collegata allo spettrometro. Un punto quantico eccitato in modo risonante apparirà come un disco circondato da anelli noti come modello ad area. Seleziona un punto quantico luminoso con cui lavorare.

Massimizza l'intensità della fotoluminescenza del punto regolando con precisione la lunghezza d'onda del laser di eccitazione risonante. Regolare congiuntamente E1 lateralmente ed E2 assialmente per ottenere la massima intensità. Questa serie di immagini proviene da un punto quantico neutro a diversi detunning, come indicato in gigahertz nella parte superiore di ogni immagine.

Per confronto, questa serie proviene da un punto quantico carico a diversi detunning indicati anche nella parte superiore delle immagini. Lo stato di carica non può essere determinato esclusivamente utilizzando lo spettro. Utilizzando le immagini a punti quantici neutri e integrando l'intensità entro un raggio di quattro pixel dal centro dell'immagine, si ottiene lo spettro.

Questo spettro è il risultato di una procedura simile con le immagini di punti quantici carichi e un raggio di sei pixel. I punti arancioni rappresentano l'intensità di eccitazione della fotoluminescenza risonante normalizzata. I quadrati blu sono i dati del set di immagini corrispondente.

Queste immagini provengono da otto diversi punti quantici con diverse lunghezze d'onda di risonanza che aumentano monotonicamente da sinistra a destra. Il modello di un disco di area centrale con anelli circostanti è l'immagine tipica di un punto quantico. I raggi degli anelli e del disco variano a causa dell'interdipendenza delle lunghezze d'onda e degli angoli di emissione dei modi della cavità.

In generale, le persone che non conoscono questo metodo avranno difficoltà con la luce laser nella guida d'onda del campione perché l'allineamento è molto sensibile e l'elemento di costo deve essere fatto a temperatura ambiente. Una volta preparati i componenti sperimentali, l'allineamento può essere eseguito in un paio d'ore se viene eseguito correttamente. Durante il tentativo di eseguire questa procedura, è importante monitorare le frange di interferenza per posizionare correttamente i laser di eccitazione e l'imaging di alta qualità della superficie del campione è fondamentale per consentire l'allineamento dei percorsi di eccitazione e rilevamento.

Seguendo questa procedura, il percorso di rilevamento può essere modificato per includere ulteriori elementi come un analizzatore di polarizzazione o un interferometro di Fabry-Perot sintonizzabile. Questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dell'ottica quantistica a stato solido per esplorare fenomeni risonanti in strutture a dimensione zero come i punti quantici. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come ottenere l'eccitazione risonante di un punto quantico e il rilevamento simultaneo della fluorescenza utilizzando le modalità di eccitazione e rilevamento ortogonale.