Name: 直交の励起と検出を用いた平面キャビティ内 InGaAs 量子ドットの共鳴蛍光 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-10-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 57 s
Description: 学ぶ直交励起・検出モードを用いたInGaAs量子ドットの共鳴蛍光検出法。レーザー散乱を最小化し蛍光偏光を保持する量子光学実験手法で、単一光子源や電子スピン制御への応用が期待されます。

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著者は、サンプルを提供するため Glenn s. ソロモンを認めたいと思います。この作品は、全米科学財団 (DMR-1452840) によって支えられました。

<ol><li>Kuhlmann, A. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+dark-field+microscope+for+background-free+detection+of+resonance+fluorescence+from+single+semiconductor+quantum+dots+operating+in+a+set-and-forget+mode%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A dark-field microscope for background-free detection of resonance fluorescence from single semiconductor quantum dots operating in a set-and-forget mode.</a> Rev. Sci. Instrum. 84 (7), 073905(2013).</li>
<li>Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -Y., Atatüre, M. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/nphys/journal/v5/n3/full/nphys1182.html">Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence.</a> Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).</li>
<li>Vamivakas, A. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+spin-dependent+quantum+jumps+via+quantum+dot+resonance+fluorescence%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence.</a> Nature. 467 (7313), 297-300 (2010).</li>
<li>Houel, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+Single-Charge+Fluctuations+at+a+GaAs%2FAlAs+Interface+Using+Laser+Spectroscopy+on+a+Nearby+InGaAs+Quantum+Dot%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Probing Single-Charge Fluctuations at a GaAs/AlAs Interface Using Laser Spectroscopy on a Nearby InGaAs Quantum Dot.</a> Phys. Rev. Lett. 108 (10), 107401(2012).</li>
<li>Gao, W. B., Fallahi, P., Togan, E., Miguel-Sanchez, J., Imamoglu, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+entanglement+between+a+quantum+dot+spin+and+a+single+photon%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon.</a> Nature. 491 (7424), 426-430 (2012).</li>
<li>Muller, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resonance+Fluorescence+from+a+Coherently+Driven+Semiconductor+Quantum+Dot+in+a+Cavity%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity.</a> Phys. Rev. Lett. 99 (18), 187402(2007).</li>
<li>Flagg, E. B., et al. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/nphys/journal/v5/n3/full/nphys1184.html">Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter.</a> Nat. Phys. 5 (3), 203-207 (2009).</li>
<li>Konthasinghe, K., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/pdf/1206.4549.pdf">Coherent versus incoherent light scattering from a quantum dot.</a> Phys. Rev. B. 85 (23), 235315(2012).</li>
<li>Peiris, M., Konthasinghe, K., Yu, Y., Niu, Z. C., Muller, A. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/profile/Manoj_Peiris/publication/263036743_Bichromatic_resonant_light_scattering_from_a_quantum_dot/links/54184a100cf25ebee988139f.pdf">Bichromatic resonant light scattering from a quantum dot.</a> Phys. Rev. B. 89 (15), 155305(2014).</li>
<li>Chen, D., Lander, G. R., Krowpman, K. S., Solomon, G. S., Flagg, E. B. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/7787798/">Characterization of the local charge environment of a single quantum dot via resonance fluorescence.</a> Phys. Rev. B. 93 (11), 115307(2016).</li>
<li>Chen, D., Lander, G. R., Solomon, G. S., Flagg, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polarization-Dependent+Interference+of+Coherent+Scattering+from+Orthogonal+Dipole+Moments+of+a+Resonantly+Excited+Quantum+Dot%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Polarization-Dependent Interference of Coherent Scattering from Orthogonal Dipole Moments of a Resonantly Excited Quantum Dot.</a> Phys. Rev. Lett. 118 (3), 037401(2017).</li>
<li>Ge, R. -C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mollow+quintuplets+from+coherently+excited+quantum+dots%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots.</a> Opt. Lett. 38 (10), 1691(2013).</li>
<li>Proux, R., Maragkou, M., Baudin, E., Voisin, C., Roussignol, P., Diederichs, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+Photon+Coalescence+Time+Window+in+the+Continuous-Wave+Regime+for+Resonantly+Driven+Semiconductor+Quantum+Dots%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Measuring the Photon Coalescence Time Window in the Continuous-Wave Regime for Resonantly Driven Semiconductor Quantum Dots.</a> Phys. Rev. Lett. 114 (6), 067401(2015).</li>
<li>Robertson, J., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4772495?journalCode=apl">Polarization-resolved resonant fluorescence of a single semiconductor quantum dot.</a> Appl. Phys. Lett. 101 (25), 251118(2012).</li>
<li>De Greve, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum-dot+spin-photon+entanglement+via+frequency+downconversion+to+telecom+wavelength%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength.</a> Nature. 491 (7424), 421-425 (2012).</li>
<li>Schaibley, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Demonstration+of+Quantum+Entanglement+between+a+Single+Electron+Spin+Confined+to+an+InAs+Quantum+Dot+and+a+Photon%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Demonstration of Quantum Entanglement between a Single Electron Spin Confined to an InAs Quantum Dot and a Photon.</a> Phys. Rev. Lett. 110 (16), 167401(2013).</li>
<li>Gerardot, B. D., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0803/0803.0432.pdf">Dressed excitonic states and quantum interference in a three-level quantum dot ladder system.</a> New J. Phys. 11 (1), 013028(2009).</li>
<li>Hargart, F., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/pdf/1509.03861.pdf">Cavity-enhanced simultaneous dressing of quantum dot exciton and biexciton states.</a> Phys. Rev. B. 93 (11), 115308(2016).</li>
<li>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:
 <a target="_blank" href="http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.4205v1.pdf">http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.4205v1.pdf</a> (2007).</li>
<li>Kim, H., Shen, T. C., Roy-Choudhury, K., Solomon, G. S., Waks, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resonant+Interactions+between+a+Mollow+Triplet+Sideband+and+a+Strongly+Coupled+Cavity%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Resonant Interactions between a Mollow Triplet Sideband and a Strongly Coupled Cavity.</a> Phys. Rev. Lett. 113 (2), 027403(2014).</li>
<li>Unsleber, S., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1512.01070">Observation of resonance fluorescence and the Mollow triplet from a coherently driven site-controlled quantum dot.</a> Optica. 2 (12), 1072(2015).</li>
<li>Xu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coherent+Optical+Spectroscopy+of+a+Strongly+Driven+Quantum+Dot%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Coherent Optical Spectroscopy of a Strongly Driven Quantum Dot.</a> Science. 317 (5840), 929-932 (2007).</li>
<li>Muller, A., Fang, W., Lawall, J., Solomon, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emission+Spectrum+of+a+Dressed+Exciton-Biexciton+Complex+in+a+Semiconductor+Quantum+Dot%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Emission Spectrum of a Dressed Exciton-Biexciton Complex in a Semiconductor Quantum Dot.</a> Phys. Rev. Lett. 101 (2), 027401(2008).</li>
<li>Roy-Choudhury, K., Hughes, S. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1504.03356">Quantum theory of the emission spectrum from quantum dots coupled to structured photonic reservoirs and acoustic phonons.</a> Phys. Rev. B. 92 (20), 205406(2015).</li>
<li>Ulhaq, A., Weiler, S., Ulrich, S. M., Roßbach, R., Jetter, M., Michler, P. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n4/full/nphoton.2012.23.html">Cascaded single-photon emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot.</a> Nat. Photonics. 6 (4), 238-242 (2012).</li>
<li>Ulrich, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dephasing+of+Triplet-Sideband+Optical+Emission+of+a+Resonantly+Driven+InAs%2FGaAs+Quantum+Dot+inside+a+Microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Dephasing of Triplet-Sideband Optical Emission of a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot inside a Microcavity.</a> Phys. Rev. Lett. 106 (24), 247402(2011).</li>
<li>Atature, M., Dreiser, J., Badolato, A., Hogele, A., Karrai, K., Imamoglu, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum-dot+spin-state+preparation+with+near-unity+fidelity%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Quantum-dot spin-state preparation with near-unity fidelity.</a> Science. 312 (5773), 551-553 (2006).</li>
<li>Kroner, M., et al. <a target="_blank" href="http://adsabs.harvard.edu/abs/2008PhRvB..78g5429K">Resonant two-color high-resolution spectroscopy of a negatively charged exciton in a self-assembled quantum dot.</a> Phys. Rev. B. 78 (7), 075429(2008).</li>
<li>Press, D., Ladd, T. D., Zhang, B., Yamamoto, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complete+quantum+control+of+a+single+quantum+dot+spin+using+ultrafast+optical+pulses%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses.</a> Nature. 456 (7219), 218-221 (2008).</li>
<li>Sun, S., Waks, E. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1602.04367">Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics.</a> Physical Review A. 94 (1), 012307(2016).</li>
<li>Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4809594">Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots.</a> Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114(2013).</li>
<li>Nguyen, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optically+Gated+Resonant+Emission+of+Single+Quantum+Dots%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots.</a> Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401(2012).</li>
<li>Benisty, H., De Neve, H., Weisbuch, C. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/709578/">Impact of planar microcavity effects on light extraction-Part I: basic concepts and analytical trends.</a> IEEE J. Quantum Elect. 34 (9), 1612-1631 (1998).</li>
<li>Köhler, A. <a target="_blank" href="https://archive.org/details/cbarchive_41715_einneuesbeleuchtungsverfahrenf1893">Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke.</a> Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik. 10 (4), 433-440 (1893).</li>
<li>Köhler, A. <a target="_blank" href="https://books.google.com/books?id=0O4BAAAAYAAJ&pg=PA261&lpg=PA261&dq=%22New+method+of+illumination+for+photomicrographical+purposes%22&source=bl&ots=A0VuArlouF&sig=uUkrr7e0Z32E2N1JBz5Q6wKzia0&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwj0kZ36hvjUAhXoy4MKHeBUBtsQ6AEIKDAA#v=onepage&q=%22New%20method%20of%20illumination%20for%20photomicrographical%20purposes%22&f=false">New method of illumination for photomicrographical purposes.</a> Journal Royal Microscopical Society (Great Britain). 14, 261-262 (1894).</li>
<li>He, Y. -M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-demand+semiconductor+single-photon+source+with+near-unity+indistinguishability%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Nanotechnol%22%5BJournal%5D)">On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability.</a> Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).</li>
</ol>

著者が明らかに何もありません。

プロトコルの重要な手順です: モード マッチングと導波管モードを励起光の配置適切なアライメントとコレクション光学系の焦点します。これらの手順の最も困難な部分が初期配置です。既に整列セットアップの結合を最適化するは比較的簡単です。コレクションと励起領域の重複は、この機能なしでは非常に難しいですが、カメラのサンプルをイメージする能力を持つ単純なステップです。高品質の画像を作成するために適切なケーラー照明が重要です。ケーラー照明のトピックこのプロトコルの範囲外にあるが、顕微鏡でよく知られている概念であるし、発表された文献34,35で包括的に説明されています。
レンズの焦点距離に注意ここでは、典型的なしかし、必須ではありません。異なるクリオスタットと他の要因は、光学配置に追加または異なる要件を課すかもしれません。このような場合は、設計時にレンズ焦点距離の適切な選択肢はモード整合励起パスとコレクションのパスでケーラー照明の要件を満たすための鍵です。ケーラー照明は、レンズはその...

共鳴励起蛍光検出と組み合わせて単一量子エミッタは強力な励起散乱から弱い蛍光スペクトルを差別できないのため主に長期的な実験課題だったこの難易度では、ただし、正常にで克服されている過去 10 年間で 2 つの異なるアプローチ: 暗視野共励振による偏波識別1,2,3,4 、5、および直交励起検出に基づく空間モード差別6,7,8,9,10、11、 12,13,14。両方のアプローチの大幅レーザー散乱を抑制する強力な能力し、スピン光子エンタングルメント5,15,の観測などの様々 な実験でこのように広く採用されて16、服を着た状態2,7,12,17,18,19,20,21のデモ,22,23,24,25,26日と限られたスピン3,27,28,29,30のコヒーレント操作。どちらのアプローチは、すべての状況に普遍的に適用できます。それぞれはいくつかの特定の条件に限定されます。暗視野法では、光子励起レーザー散乱抑制の自由度偏波を採用しています。このテクニックには、いくつかの利点があります。たとえば、共焦点のみの実装を可能にする明確に定義された導波管モードの要件はありません。共焦点の実装は円偏波励振および高い励起強度の結果として量子エミッタに励起光の可能性がより緊密なフォーカスをことができます。ただし、この偏波選択メソッドは励起分極に直交するように検出偏光を制限し、蛍光の偏光特性の完全な評価を防止すること。比較では、空間モード差別はレーザー散乱4を抑制するための励起と検出ビームの伝搬モードの間直交性を用いた偏波検出の完全な自由を保持します。この手法の制約がサンプルの導波路構造の直交検出モード励振モードを提供する必要性とビームの伝搬方向に対して垂直に励起分極の制限.
ここでは、共鳴蛍光実験用無料スペース ベース直交励起検出設定を構成するプロトコルを示す.6空洞に光を連結する光ファイバーを用いて空間モード判別に関する先駆的な仕事と比較して、このプロトコル, 自由空間におけるソリューションを提供します、どちらかサンプルをマウントする動的コンポーネントを必要としないまたはクライオスタットの繊維。励起光の検出パス方向の微調整は、一重項の非球面レンズは、クリオスタットの冷たい領域内の目的を中心として、クライオスタット、外部光学系によって操作されます。共鳴励起と単一量子ドットからの蛍光性の検出を達成する過程でキー配置手順の代表的な画像を提供します。
このデモで使用するサンプルは、分子線エピタキシー (MBE 法) により栽培されています。InGaAs 量子ドット (Qd) は、図 1のサンプルのビューでズームで示すように、2 つ分布ブラッグ反射鏡 (Dbr) によって囲まれている GaAs スペーサーに埋め込まれます。Dbr 領域間 GaAs のスペーサーは、励起光が全反射によって限られている、導波管として機能します。Dbr 領域は、試料面にほぼ垂直な wavevectors 用高反射率ミラーとしても使用。これを形成する量子ドットの蛍光を発光するときカップル ファブリ ・ モード。ファブリ ・ ペロー モードは整数である GaAs スペーサーが必要です、量子ドットの発光波長 λ と共鳴する必要があります λ/n、n は GaAs の屈折の倍数。このデモでは、GaAs のスペーサーの厚さは 4λ/n に選ばれた、入射励起光の回折限界のスポット サイズ近くなるように、約 1 μ m であります。狭いスペーサー低結合効率励起光の導波管モードになります。
実験装置は図 1に示します。開口数 NA で非球面単レンズ目的 Eobj結合効率を最大化する = 0.5 とサンプルの劈開面に励起光を集中する 8 mm の焦点距離を選択。励起パスでケプラー式望遠鏡 (レンズのペアの E1 と E2 で構成) の機能は 2 倍: 励起光は良いモード一致 (導波管をしっかりと焦点を当てて、励起電子の目的objの開口部を入力する (1)この実現平行ビーム径が 2.5 mm)、(2) 3 サンプルの劈開面に励起光の焦点を操縦する自由度を提供します。レンズ E1 は、劈開サンプル面の平面で自由に励起スポットをシフトする自由の 2 つの学位を提供する X と Y の並進マウントにマウントされています。レンズの E2 は、非回転ズームのサンプルで焦点の深さを選択する自由を提供する住宅にマウントされます。これらの 3 自由度サンプル自体の動きを必要とせず単一量子ドットの共鳴励起を最適化すること。
蛍光コレクションのパス同じようなレンズ構成 (LobjL1 と L2) を使用して、サンプルの異なった部分からの蛍光性の検出を許可します。サンプルからの光がフォーカスされてか赤外線高感度カメラ (Lカム) に 2 つの管のレンズの 1 つまたは分光計 (L仕様) の入口スリット。L1 の z 軸方向の動きが、イメージの焦点を調整し、L2 の側面翻訳、サンプルの平面全体をスキャンする画像します。L1 と L2 の焦点距離の長さが等しいので、倍率は統一です。これは、ケラレが発生する前に、L2 を翻訳できる範囲を最大限に実行されます。
配置とを QD の場所を容易にするには、ケーラー照明に基づいて家造られた照明は、図 1に示すように、セットアップに組み込まれます。ケーラー照明の目的のサンプルに均一な照明を提供し、ことを確認することです i照明光源の魔道士はサンプル画像で表示されません。照明とコレクションのパスの両方のレンズ構成はサンプルと光源の共役像面を別々 に慎重に設計されています。コレクションのパスにすべてのレンズはその焦点距離の合計で隣国から区切られます。これにより、どこにサンプル画像は、フォーカス--カメラのセンサーで光源の像は完全にデフォーカスのよう。同様に、光源の像がフォーカス--対物レンズの後焦点面でサンプル画像が完全に多重のよう。光源は、発光ダイオード (LED) ・ 940 商業発光 nm。絞り、照度の調整が可能、フィールド ダイヤフラムは明るくしてビューのフィールドを決定します。均一な照明を実現するキーはの間の距離を設定するのには、レンズの 2 つのレンズの焦点距離の長さの合計に K4 と L2 とする L の開口部を確保するため、objが照明によって詰めすぎていません。このプロトコルでは、照明はまた Lobjとサンプル間距離を最適化するために使用されます。
目的 Lobjとチューブ レンズのどちらかは、カメラや分光計で 20 倍の倍率を提供します。Lobjと L仕様のレンズのペア L3 と L4 は、電荷結合素子 (CCD) の分光計のイメージに余分な 4 倍を提供する別のケプラー式望遠鏡を形成します。L3 と L4 の結果の合計倍率 80 x は、空間的近くドット L3 と L4 から蛍光を区別する必要があるため、表示倍率の切り替えを容易にするマウントを反転にマウントされているレンズの 20 倍の倍率。サンプルのビューの大きなフィールドを提供します。
光導波路を介して励起光のパスを持つコレクションのパスのビューのフィールドが重複する湿潤層量子ドットの連続体から排出が便利です。上記のバンド ギャップ励起下でサンプルの発光スペクトルを測定することによって濡れ層の発光波長を決定できます。サンプルでは、約 880 で発生しますぬれ層排出 4.2 K で nm880 でcwレーザを結合することによってサンプルの導波路に nm、1 つは付属のビデオで示されているぬれ層から PL によって形成されるストリーク パターンを観察できます。ストリーク カメラは、導波路に結合されて励起光の伝搬経路を明らかにします。配置を簡単に試料の表面のイメージを機能と組み合わせてこの連勝の存在。

<table><tbody><tr><td>チューナブル外部共振器ダイオードレーザー</td><td>トプティカフォトニクス</td><td>DL-Pro</td><td></td></tr><tr><td>クローズドサイクルクライオスタット</td><td>モンタナインスツ</td>ル<td>メンツ クライオステーション</td><td></td></tr><tr><td>分光計、焦点距離750mm</td><td>プリンストンインスツルメンツ</td><td>SpectraPro 2750</td><td></td></tr><tr><td>熱電冷却電荷結合装置</td><td>プリンストンインスツルメンツ</td><td>ピクシス 100BR-eXcelon</td><td></td></tr><tr><td>HeNe</td><td>レーザーJDSU1125P</td><td></td><td></td></tr><tr><td>赤外線感度カメラ</td><td></td><td>ソニーNEX-5TL</td><td>IRブロッキングフィルターを取り外しました</td></tr><tr><td>パワーメーターと検出器</td><td>ニューポート</td><td>1918-C、918D-IR-OD3</td><td></td></tr><tr><td>調整可能な非球面ファイバーコリメータ</td><td>Thorlabs</td><td>CFC-8X-A</td><td></td></tr><tr><td>空間隔ダブレットコリメータ</td><td>Thorlabs</td><td>F810APC-842</td><td></td></tr><tr><td>保護シルバーミラー x 5</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>フリップマウント x 2</td><td>Thorlabs</td><td>FM90</td><td></td></tr><tr><td>非球面コンデンサーレンズ、f = 20 mm;K1</td><td>Thorlabs</td><td>ACL2520-B</td><td></td></tr><tr><td>ベストフォーム球面レンズ、f = 50 mm;E2、L1、L2、K2</td><td>Thorlabs</td><td>LBF254-050-B</td><td></td></tr><tr><td>ベストフォーム球面レンズ、f = 100 mm;E1、L4、K3、K4</td><td>Thorlabs</td><td>LBF254-100-B</td><td></td></tr><tr><td>ベストフォーム球面レンズ、f = 200 mm;Lspec、Lcam</td><td>Thorlabs</td><td>LBF254-200-B</td><td></td></tr><tr><td>平凸レンズ、f = 400 mm;L3</td><td>Thorlabs</td><td>LA1172-B</td><td></td></tr><tr><td>成形ガラス非球面レンズ、f = 8 mm;Eobj</td><td>Thorlabs</td><td>C240TME-B</td><td></td></tr><tr><td>精密非球面、f = 10 mm;Lobj</td><td>Thorlabs</td><td>AL1210-B</td><td></td></tr><tr><td>ロングパスフィルター、800 nm、x2</td><td>Thorlabs</td><td>FEL0800</td><td></td></tr><tr><td>非偏光ビームスプリッターキューブ (NPBS)</td><td>Thorlabs</td><td>BS029</td><td></td></tr><tr><td>ペリクルビームスプリッター</td><td>Thorlabs</td><td>BP108</td><td></td></tr><tr><td>偏光子</td><td>Thorlabs</td><td>LPNIRE100-B</td><td></td></tr><tr><td>発光ダイオード、940 nm</td><td>Thorlabs</td><td>M940D2</td><td></td></tr></tbody></table>

直交の励起と検出を用いた平面キャビティ内 ingaas 量子ドットの共鳴蛍光

Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection

同時共鳴励起、蛍光検出を実行する能力は、量子ドット (Qd) の量子光学計測用が重要です。共鳴励起蛍光検出-たとえば、差動伝送測定-なし発光システムのいくつかのプロパティを確認することができますが、アプリケーションまたは放出される光子を用いた測定はできません。たとえば、光子相関測定、Mollow トリプレットの観察、すべて単一光子源の実現、蛍光のコレクションが必要です。インコヒーレント励起-たとえば、上記バンド ギャップ励起-蛍光検出を使用して、単一光子源を作成できます、加振による環境の乱れは、光子の識別不能性を低減します。単一光子源量子ドットに基づく高い光子識別不能性に共鳴励起にしなければならないし、光子の同時コレクションを確認する必要がありますそれらを使用します。サンプルの表面の法線方向に沿って蛍光を収集しながらサンプルの切断面からこの空洞に励起光を結合することによって平面共振器に埋め込まれた単一量子ドットの共鳴励起する方法を紹介します。共振器の導波管モードを励起光を慎重に一致する、励起光は、キャビティにカップルし、量子ドットと対話できます。散乱の光子は、キャビティ表面の法線方向のエスケープのファブリ ・ モードに結合できます。このメソッドにより、検出偏光の完全な自由が、励起分極励起光の伝搬方向によって制限されています。ぬれ層からの蛍光は励起光に対するコレクションのパスを整列するためのガイドを提供します。励起と検出モードの直交性が無視できるレーザー散乱背景を持つ単一量子ドットの共鳴励起を可能にします。

図 1は、単一量子ドットの共鳴励起を達成するために必要な装置の 1 つの特定の認識を示しています。可能な他の認識が重要なコンポーネント:; 導波路にカップルに励起パス蛍光を検出器; にガイドするコレクションのパスコレクション パスに沿って刺激する共焦点励起パス試料表面のイメージングを有効にする照明パス。
2 つの代表的な RPLE スペクトルは図 2のとおりです。彼らは中立 QD [図 2(a) および (b)] や [図 2(c) と (d)] 充電 QD から収集されます。荷電 QD の正確な充電状態は、スペクトルを調べることによって決定できませ...

単一自己形成量子ドットの共鳴励起は、励起蛍光コレクション モードに直交モードを使用できます。光導波路と量子ドットを囲む平面微小共振器のファブリ ・ モードを使用して、メソッドを紹介します。メソッドは、検出偏光で完全な自由をことができます。

直交の励起と検出を用いた平面キャビティ内 InGaAs 量子ドットの共鳴蛍光

The ability to perform simultaneous resonant excitation and fluorescence detection is important for quantum optical measurements of quantum dots (QDs). ...

このプロトコルの全体的な目標は、量子ドットの共鳴励起と、直交励起モードと直交検出モードを使用した同時蛍光検出を実現することです。蛍光検出による共鳴励起の実現は、低次元ナノ構造における光物質相互作用の研究に不可欠であり、ドレス状態などの量子光学効果の解明に利用されてきました。この手法の主な利点は、励起モードと検出モードの間の直交性を使用して、蛍光偏光を保持するレーザー散乱の収集を最小限に抑えることです。この手法は、量子ドットに基づく非常に区別のつかない単一光子の発生源や、量子ドット内の電子スピンのコヒーレントな制御と測定に影響を及ぼします。実験の要素を光学ベンチにセットアップします。サンプルを保持するためのクライオスタットは、実験の中心にあります。光学素子は、3つの光源の出力を指示し、焦点を合わせます。この回路図は、セットアップの概要を示しています。ここでも、クライオスタットに保持されているサンプルは中央にあります。光源の1つは、共振励起に使用される外部共振器ダイオードレーザーです。もう一つは、上曲げ励起に使用されるヘリウムネオンレーザーです。照明用のLEDもあります。共鳴励起レーザービームは偏光子を通過し、クライオスタットの1つのウィンドウから入ります。レンズE1とE2は毛細管望遠鏡を形成しています。E1はXYステージ上にあり、励起スポットを横方向にシフトできます。E2は、焦点の深さを変えることができるようにズームハウジングに入っています。照明源とヘリウムネオンレーザーからの光は、クライオスタットのもう一方のウィンドウに入ります。サンプル内では、光は2つの分布したブラッグ反射板の間に埋め込まれたインジウムガリウムヒ素量子ドットと相互作用します。サンプルの劈開面は、共鳴励起レーザーにさらされます。量子ドットからのフォトルミネッセンスは、ヘリウムネオンレーザーの光路に沿って戻ります。それは、最初のものと同様のデザインの2番目のキャピリアン望遠鏡を通過しますが、倍率は統一されています。カメラは、アライメントを容易にするために、サンプルからの光をキャプチャする位置にあります。分光計は、強度およびスペクトル分析のためにサンプルからフォトルミネッセンスを収集するための位置にあります。フリップミラーM1の位置によって、光がカメラに当たるか分光計に当たるかが決まります。最初のステップは、実験用のサンプルを準備することです。実験サンプルは、分子線エピタキシーを使用して成長したより大きなサンプルから切断されます。サンプルに加えて、銅サンプルプレート、熱伝導性塗料、ダイヤモンドスクライブ、フラットエンドピンセットを準備します。ダイヤモンドスクライブでサンプルに近づきます。これを使用して、サンプルの上面の端に小さな傷を付けます。次に、ピンセットを使用してサンプルを引っかき傷の両側に保持し、外側に回転するトルクを加えます。劈開したサンプルを銅サンプルプレートに移動し、熱伝導性塗料で貼り付けます。次に、銅サンプルプレートをクライオスタットに持って行き、取り付けます。サンプルが実験に対して正しい向きになっていることを確認してください。次のステップは、クライオスタットに非球面対物レンズを取り付けることです。このレンズは、3つの自由度の並進マウントに固定されています。共鳴励起レーザー光路に属し、サンプルの劈開端に光を集束します。最初に、レンズはサンプルから複数の焦点距離である必要があります。レンズをクライオスタットに入れた状態で、励起レーザーをオンにし、レンズをクライオスタットの中央に置きます。レンズの高さは、サンプルの中心の高さと同じである必要があります。次に、サンプルの後ろのレーザー経路に白い紙のスクリーンを設置し、赤外線ビューアでスクリーンを観察します。サンプルを透過する光により、明るいスポットがあるはずです。レンズをゆっくりとサンプルに向かって平行移動します。ビューアで画面を観察し、サンプルの鮮明なシルエット画像が表示されたら停止します。レンズの位置を調整して、シルエットが明るいスポットの中心になるようにします。レンズをサンプルに向かってゆっくりと平行移動し続けます。画面上のシルエット画像が拡大され、水平方向にずれる場合があります。レンズを調整し続けて画像の中央に配置し、干渉縞が見えるまで拡大します。レンズをサンプルに向かってゆっくりと平行移動します。各深度位置で、対物レンズを左右にスライドさせてフリンジを監視します。レンズを2つのフリンジグループ間の間隔が最大になる位置に移動し、固定します。次に、レンズの横方向の位置を調整して、紙の画面のフリンジを最小限に抑えます。次に、キャピリアン望遠鏡を励起経路で調整します。2つのレンズは、共鳴励起レーザービームの中心に配置する必要があります。回路図を参照して、レンズ E2 と非球面レンズが焦点距離の合計で離れるようにレンズ E2 を配置します。また、E1 と E2 の間隔を、それぞれの焦点距離の合計に設定します。赤外線ビューアを使用して、レンズE1の高さを調整しながら、紙の画面上の回折パターンを観察します。目標は、干渉縞を再度観察することです。E2を左右にスライドさせてフリンジを監視しながら、E1を前後にスライドさせます。E2 は、フリンジ グループが最も離れている位置に配置します。最後に、レンズE1を横方向に調整して、フリンジが消えるか最小になるようにします。画面を取り外し、残りの光学素子の配置と位置合わせを続けます。サンプルを4.2ケルビンに冷却し、分光測定の準備をします。装置は、この回路図のように構成する必要があります。ヘリウムネオンレーザーでサンプルを励起し、サンプルからのフォトルミネッセンスを分光計に向けます。結果として測定された発光スペクトルから、860〜900ナノメートルの発光ピークを特定します。これは、湿潤層からの放出に対応します。次の測定では、カメラを使用するように構成を変更します。カメラの前にあるロングパスフィルターを使用して、ヘリウムネオン光を遮断します。また、イルミネーションライトを点灯させます。レンズL2を横にずらし、カメラの映像を観察します。サンプル画像はレンズの動きによってパンされます。サンプルの劈開エッジを特定したら停止します。次に、波長が濡れ層と共振するように設定された共振励起レーザーをオンにします。カメラで、サンプルの劈開エッジに明るい散乱スポットを特定します。次に、E1の水平位置を調整します。カメラでフォトルミネッセンスの筋パターンを観察し、その強度を最大化することを目的としています。次に、E1を垂直に動かして、ヘリウムネオン励起によるフォトルミネッセンススポットとストリークを重ねます。フォトルミネッセンスの強度を監視および記録します。レンズE1とE2をシステマティックに調整して、強度を最大化します。分光計を使用するように構成を元に戻します。量子ドットアンサンブルの発光波長の中心での1次回折を監視するように設定します。次に、励起レーザーに移ります。量子ドットアンサンブルのエネルギー範囲全体でその周波数を調整します。発光するフォトルミネッセンスを分光器に取り付けたCCDカメラで観察します。共鳴励起された量子ドットは、エリアパターンと呼ばれるリングに囲まれた円盤として現れます。使用する明るい量子ドットを選択します。共鳴励起レーザーの波長を微調整することにより、ドットのフォトルミネッセンス強度を最大化します。E1を横方向に、E2を軸方向に共同で調整して、最大の強度を達成します。この一連の画像は、各画像の上部にギガヘルツで示されているように、さまざまな調整で中性量子ドットから取得されたものです。比較のために、このシリーズは、画像の上部にも示されているさまざまなデチューニングの荷電量子ドットからのものです。帯電状態は、スペクトルだけでは判断できません。中性量子ドット画像を使用し、画像中心の半径4ピクセル以内の強度を積分すると、スペクトルが得られます。このスペクトルは、荷電量子ドット画像と半径6ピクセルを使用した同様の手順の結果です。オレンジ色の点は、正規化された共振フォトルミネッセンス励起強度を表しています。青い四角形は、対応する画像セットからのデータです。これらの画像は、左から右に単調に増加する異なる共鳴波長を持つ8つの異なる量子ドットからのものです。中央の領域円盤と周囲のリングのパターンは、量子ドットの典型的なイメージです。リングとディスクの半径は、共振器モードの波長と発光角度の相互依存性のために変化します。一般に、この方法に不慣れな人は、アライメントが非常に敏感で、コスト要素が室温で行わなければならないため、サンプルの導波路にレーザー光が入ることに苦労します。実験用コンポーネントが準備されると、適切に実行されれば、アライメントは数時間で完了します。この手順を試行する際には、干渉縞を監視して励起レーザーを正しく配置することが重要であり、励起パスと検出パスの位置合わせを可能にするには、サンプル表面の高品質なイメージングが重要です。この手順に従って、検出パスを変更して、偏光アナライザーや調整可能なファブリ・ペロー干渉計などの要素をさらに含めることができます。この技術は、固体量子光学の分野の研究者が、量子ドットなどのゼロ次元構造における共鳴現象を探求する道を開きました。このビデオを見れば、量子ドットの共鳴励起を実現する方法と、直交励起モードと直交検出モードを使用した同時蛍光検出について十分に理解できるはずです。

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直交の励起と検出を用いた平面キャビティ内 InGaAs 量子ドットの共鳴蛍光

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