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

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。