Name: Meting van coherentie-verval in GaMnAs met behulp van femtoseconde vier-golf-mixing (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 58 s
Description: Ontdek femtoseconde vier-golf-mixing voor het meten van coherentie-verval in GaMnAs. Deze methode biedt inzicht in spin-flip-verstrooiing en uitwisselingskoppeling voor spintronica-toepassingen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit onderzoek wordt ondersteund door de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, Lockheed Martin Corporation en de National Science Foundation (Grant DMR10-05851).

1. Overzicht van optisch apparaat
<ol>
	<li>Stel twee spiegels en twee irissen in om de invoerpad voor de optische opstelling te definiëren, zoals getoond in Figuur 1.  Elke dag moeten deze irissen en spiegels worden gebruikt om de opstellingsalignering te herstellen.  Aangezien de laser dagelijks drijft, zijn er meerdere iteraties van alignering nodig om een optimale alignering te behouden.</li>
	<li>Bouw een pulscompressor die twee prisma's bevat, zoals getoond in Figuur 1.  De pulscompressor introduceert negatieve groepssnelheidsdispersie om te compenseren voor de positieve groepssnelheidsdispersie veroorzaakt door lenzen en optische vensters op de weg naar de steekproef.  De hoeveelheid compensatie van de groepssnelheidsdispersie wordt bepaald door de afstand tussen de prisma's (grof) en de hoeveelheid glas waardoor de straal in het tweede prisma wordt geleid (fijn).  Deze worden iteratief aangepast om de pulsduur te optimaliseren terwijl de pulsautocorrelatie wordt gedetecteerd (Zie sectie 2).</li>
	<li>Plaats een 50/50 straaldooser om de inkomende pulsen van de laser in twee excitatiepulsen, E1 en E2, te verdelen.</li>
	<li>Stel een optische vertragingslijn in voor puls E1 met behulp van een paar spiegels gemonteerd op een handmatige translatiestand.  Deze stand wordt gebruikt om grove aanpassingen van de vertraging tussen pulsen E1 en E2 te maken. Opmerking: men moet ervoor zorgen dat de optische pad in de spiegelpaar parallel is aan de bewegingsas van de translatiestand en dat de spiegels onder een hoek van 45° ten opzichte van elkaar zijn geplaatst en geen verticale afwijking introduceren.</li>
	<li>Stel een optische vertragingslijn in voor puls E2 met behulp van een set spiegels en een optisch periscoop die de straal naar een lichtgewicht retroreflector sturen die op de kegel van een luidspreker is gemonteerd.  Het verticaal plaatsen van de luidspreker minimaliseert anharmonische beweging van de luidspreker veroorzaakt door het gewicht van de retroreflector evenals nadelige beweging (schommelen) van de retroreflector terwijl de luidspreker beweegt. 
	Opmerking: men moet ervoor zorgen dat de straalpad in de retroreflector parallel is aan de bewegingsas van de luidspreker (d.w.z. verticaal). Samen met een functiegenerator en stroomversterker, maakt de luidspreker het mogelijk de interpulsvertraging snel te scannen tijdens het experiment. De stroomversterker is nodig om een voldoende grote amplitude van beweging van de luidspreker (>1 mm) te garanderen. Het lineaire deel van de worp van de luidspreker bepaalt het totaal toegankelijke pulsvertragingsbereik in het experiment.</li>
	<li>Zorg ervoor dat de twee optische bundels parallel zijn en plaats een enkele lens (diameter 5 cm, brandpuntsafstand 50 cm) in de pad van de twee bundels, zoals getoond in Figuur 1.  Deze lens wordt gebruikt om de twee bundels te focussen op de steekproef bevat in een optische cryostat, waardoor de steekproef op elke gewenste temperatuur tussen 4-300 K kan worden gehouden.</li>
	<li>Ruimtelijke en temporele overlap op de steekproefpositie worden geoptimaliseerd door een autocorrelatie uit te voeren op een gelijkwaardige focus ter voorbereiding op de detectie van het vier-golfmengingssignaal. (De autocorrelatie-alignering wordt beschreven in sectie 2.).</li>
	<li>Voor spectraal opgeloste, tijd-geïntegreerde experimenten (SR-FWM), stuur de vier-golfmengingsemissie naar een monochroom, door een lens toe te voegen om in de inputslet te focussen.</li>
	<li>Plaats een hogesnelheidsfotomultiplicatorbuisdetector (PMT) na de monochroom om de spectraal opgeloste vier-golfmengingsemissie te detecteren.  Opmerking: de hoge spanning toegepast op de PMT mag alleen worden ingeschakeld met de PMT in het donker.</li>
	<li>Verbind het uitgangssignaal van de PMT met een oscilloscoop.</li>
	<li>Gebruik een functiegenerator en stroomversterker om de luidspreker te laten oscilleren op ongeveer 30 Hz om een periodische variatie van de tijdsvertraging tussen pulsen E1 en E2 te introduceren.  Voer een meting uit van het SR-FWM-signaal (PMT-signaal) versus pulsvertraging met behulp van de oscilloscoop.  De kalibratie van de tijdsas van de oscilloscoop wordt bepaald met behulp van het autocorrelatiesignaal, zoals beschreven in sectie 2.</li>
	<li>Voor tijd-opgeloste vier-golfmenging (TR-FWM), plaats een tweede 50/50 straaldooser om een derde laserpuls te creëren (de poortpult genoemd), zoals getoond in Figuur 1.</li>
	<li>Stel een aparte optische vertragingslijn in voor de poortpult.  Deze vertragingslijn bevat een set spiegels gemonteerd op een handmatige translatiestand voor grove aanpassing van de poortpult-vertraging, en een tweede luidspreker voor snelle scannen van de poortpult-vertraging.</li>
	<li>Verwijder de lens voor de monochroom en plaats een spiegel om de vier-golfmengingstraal op te pakken.</li>
	<li>Plaats een lens om de vier-golfmengingsemissie, samen met de poortpult, in een Beta Barium Borate (BBO) niet-lineaire kristal te focussen dat is gesneden voor type I faseaanpassing voor 800 nm bij normale inval.  Voer een meting uit van de tweede harmonische intensiteit als functie van poortpult-vertraging met behulp van een andere hogesnelheids PMT.</li>
	<li>Stel een pad in voor autocorrelatiemetingen door een grote vlakke spiegel voor de cryostat in te voegen.  Deze spiegel wordt gebruikt om zowel E1- als E2-pulsen om te leiden naar een tweede focus.  Hier plaatst u een tweede BBO-kristal.  Opmerking: de invoerbundels moeten worden geblokkeerd tijdens het verplaatsen van deze vlakke spiegel om gevaarlijke reflecties te voorkomen.</li>
	<li>Vo

<ol><li>Onodera, K., Masumoto, T., Kimura, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((980+nm+compact+optical+isolators+using+Cd1-x-yMnxHgyTe+single+crystals+for+high+power+pumping+laser+diodes%5BTitle%5D)+AND+%22Electron.+Lett%22%5BJournal%5D)">980 nm compact optical isolators using Cd1-x-yMnxHgyTe single crystals for high power pumping laser diodes.</a> Electron. Lett. 30, 1954-1955 (1994).</li>
<li>Shen, A., Ohno, Y., Segawa, Y., Ohno, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Faraday+rotation+of+ferromagnetic+%28Ga%2CMn%29As%5BTitle%5D)+AND+%22Electron.+Lett%22%5BJournal%5D)">Faraday rotation of ferromagnetic (Ga,Mn)As.</a> Electron. Lett. 34, 190-192 (1998).</li>
<li>Ohya, S., Shimizu, H., Higo, Y., Sun, J., Tanaka, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+and+Properties+of+Quaternary+Alloy+Magnetic+Seminconductor+%28InGaMn%29As%5BTitle%5D)+AND+%22Jpn.+J.+Appl.+Phys.+Part%22%5BJournal%5D)">Growth and Properties of Quaternary Alloy Magnetic Seminconductor (InGaMn)As.</a> Jpn. J. Appl. Phys. Part. 2, L24-L27 (2002).</li>
<li>Wang, J., Sun, C., Kono, J., Oiwa, A., Munekata, H., Cywiński, L., Sham, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+Quenching+of+Ferromagnetism+in+InMnAs+Induced+by+Intense+Laser+Irradiation%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Ultrafast Quenching of Ferromagnetism in InMnAs Induced by Intense Laser Irradiation.</a> Phys. Rev. Lett. 95, 167401-167405 (2005).</li>
<li>Zahn, J. P., Gamouras, A., March, S., Liu, X., Furdyna, J. K., Hall, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+studies+of+carrier+and+magnetization+dynamics+in+GaMnAs%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Ultrafast studies of carrier and magnetization dynamics in GaMnAs.</a> J. Appl. Phys. 107, 033908-033917 (2010).</li>
<li>Rozkotova, E., Nemec, P., Tesarova, N., Maly, P., Novak, V., Olejnik, K., Cukr, M., Jungwirth, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coherent+control+of+magnetization+precession+in+ferromagnetic+semiconductor+%28Ga%2CMn%29As%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Coherent control of magnetization precession in ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As.</a> Appl. Phys. Lett. 93, 232505-232508 (2008).</li>
<li>Th, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetization+manipulation+in+%28Ga%2CMn%29As+by+subpicosecond+optical+excitation%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Magnetization manipulation in (Ga,Mn)As by subpicosecond optical excitation.</a> Appl. Phys. Lett. 86, 152506-152509 (2005).</li>
<li>Hall, K. C., Zahn, J. P., Gamouras, A., March, S., Robb, J. L., Liu, X., Furdyna, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+optical+control+of+coercivity+in+GaMnAs%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Ultrafast optical control of coercivity in GaMnAs.</a> Appl. Phys. Lett. 93, 032504-032507 (2008).</li>
<li>Reid, A. H. M., Astakhov, G. V., Kimel, A. V., Schott, G. M., Ossau, W., Brunner, K., Kirilyuk, A., Molenkamp, L. W., Th Rasing, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single+picojoule+pulse+switching+of+magnetization+in+ferromagnetic+%28Ga%2CMn%29As%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Single picojoule pulse switching of magnetization in ferromagnetic (Ga,Mn)As.</a> Appl. Phys. Lett. 97, 232503-232506 (2010).</li>
<li>Rudolph, J., Hägele, D., Gibbs, H. M., Khitrova, G., Oestreich, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+threshold+reduction+in+a+spintronic+device%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Laser threshold reduction in a spintronic device.</a> Appl. Phys. Lett. 82, 4516-4519 (2003).</li>
<li>Roukes, M. L., Chtchelkanova, A. Y., Treger, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spintronics%3A+A+spin-based+electronics+vision+for+the+future%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Spintronics: A spin-based electronics vision for the future.</a> Science. 294, 1488-1495 (2001).</li>
<li>Awschalom, D. D., Loss, D., Samarth, N. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAwschalom%2C+DD+%22Semiconductor+Spintronics+and+Quantum+Computation%22">Semiconductor Spintronics and Quantum Computation</a>. , Springer-Verlag. Berlin. (2002).</li>
<li>Datta, S., Das, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electronic+analog+of+the+electro-optic+modulator%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Electronic analog of the electro-optic modulator.</a> Appl. Phys. Lett. 56, 665-667 (1990).</li>
<li>Hall, K. C., Lau, W. H., Gündoğdu, K., Flatté, M. E., Boggess, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonmagnetic+semiconductor+spin+transistor%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nonmagnetic semiconductor spin transistor.</a> Appl. Phys. Lett. 83, 2937-2939 (2003).</li>
<li>Hall, K. C., Flatté, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+of+a+spin-based+insulated+gate+field+effect+transistor%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Performance of a spin-based insulated gate field effect transistor.</a> Appl. Phys. Lett. 88, 162503-162505 (2006).</li>
<li>Masek, J., Máca, D., Kudrnovsky, J., Makarovsky, O., Eaves, L., Campion, R. P., Edmonds, K. W., Rushforth, A. W., Foxon, C. T., Gallagher, B. L., Novák, V., Sinova, J., Jungwirth, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microscopic+analysis+of+the+valence+band+and+impurity+band+theories+of+%28Ga%2CMn%29As%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Microscopic analysis of the valence band and impurity band theories of (Ga,Mn)As.</a> Phys. Rev. Lett. 105, 227202-227205 (2010).</li>
<li>Sheu, B. L., Myers, R. C., Tang, J. -M., Samarth, N., Awschalom, D. D., Schiffer, P., Flatté, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Onset+of+ferromagnetism+in+low-doped+Ga1-xMnxAs%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Onset of ferromagnetism in low-doped Ga1-xMnxAs.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 227205-227208 (2007).</li>
<li>Tang, J. -M., Flatté, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiband+tight-binding+model+of+local+magnetism+in+Ga1-xMnxAs%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Multiband tight-binding model of local magnetism in Ga1-xMnxAs.</a> Phys. Rev. Lett. 92, 047201-047204 (2004).</li>
<li>Jungwirth, T., Horodyská, P., Tasarová, N., Nĕmec, P., Subrt, J., Malý, P., Kuzel, P., Kadlec, C., Masek, J., Nemec, I., Orlita, M., Novák, M., Olejník, V., K, Z., Sobáň, Z., Vasek, P., Svoboda, P., Sinova, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Systematic+study+of+Mn-doping+trends+in+optical+properties+of+%28Ga%2CMn%29As%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Systematic study of Mn-doping trends in optical properties of (Ga,Mn)As.</a> Phys. Rev. Lett. 105, 227201(2010).</li>
<li>Ohya, S., Takata, K., Tanaka, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nearly+non-magnetic+valence+band+of+the+ferromagnetic+seminconductor+GaMnAs%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Phys%22%5BJournal%5D)">Nearly non-magnetic valence band of the ferromagnetic seminconductor GaMnAs.</a> Nature Phys. 7, 342-347 (2011).</li>
<li>Burch, K. S., Shrekenhamer, D. B., Singley, E. J., Stephens, J., Sheu, B. L., Kawakami, R. K., Schiffer, P., Samarth, N., Awschalom, D. D., Basov, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impurity+band+conduction+in+a+high+temperature+ferromagnetic+semiconductor%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Impurity band conduction in a high temperature ferromagnetic semiconductor.</a> Phys. Rev. Lett. 97, 087208-087211 (2006).</li>
<li>Acbas, G., Kim, M. -H., Cukr, M., Novák, V., Scarpulla, M. A., Dubon, O. D., Jungwirth, T., Sinova, J., Cerne, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electronic+structure+of+ferromagnetic+semiconductor+Ga1-xMnxAs+probed+by+subgap+magnetooptical+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Electronic structure of ferromagnetic semiconductor Ga1-xMnxAs probed by subgap magnetooptical spectroscopy.</a> Phys. Rev. Lett. 103, 137201-137204 (2009).</li>
<li>Berciu, M., Chakarvorty, R., Zhou, Y. Y., Alam, M. T., Traudt, K., Jakiela, R., Barcz, A., Wojtowicz, T., Liu, X., Furdyna, J. K., Dobrowolska, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Origin+of+magnetic+circular+dichroism+in+GaMnAs%3A+Giant+Zeeman+splitting+versus+spin+dependent+density+of+states%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Origin of magnetic circular dichroism in GaMnAs: Giant Zeeman splitting versus spin dependent density of states.</a> Phys. Rev. Lett. 102, 247202-247205 (2009).</li>
<li>de Boer, T., Gamouras, A., March, S., Novák, V., Hall, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+a+blue+shift+in+the+optical+response+at+the+fundamental+band+gap+in+Ga1-xMnxAs%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Observation of a blue shift in the optical response at the fundamental band gap in Ga1-xMnxAs.</a> Phys. Rev. B. 85, 033202-033206 (2012).</li>
<li>Yildirim, M., March, S., Mathew, R., Gamouras, A., Liu, X., Dobrowolska, M., Furdyna, J. K., Hall, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electronic+structure+of+Ga1-xMnxAs+probed+by+four-wave+mixing+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Electronic structure of Ga1-xMnxAs probed by four-wave mixing spectroscopy.</a> Phys. Rev. B. 84, 121202(R)-121206(R) (2011).</li>
<li>Yildirim, M., March, S., Mathew, R., Gamouras, A., Liu, X., Dobrowolska, M., Furdyna, J. K., Hall, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interband+dephasing+and+photon+echo+response+in+GaMnAs%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Interband dephasing and photon echo response in GaMnAs.</a> Appl. Phys. Lett. 101, 062403-062406 (2012).</li>
<li>Burch, K. S., Stephens, J., Kawakami, R. K., Awschalom, D. D., Basov, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ellipsometric+study+of+the+electronic+structure+of+Ga1-xMnxAs+and+low+temperature+GaAs%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Ellipsometric study of the electronic structure of Ga1-xMnxAs and low temperature GaAs.</a> Phys. Rev. B. 70, 205208-205217 (2004).</li>
<li>Kim, D. -S., Shah, J., Cunningham, J. E., Damen, T. C., Schäfer, W., Hartmann, M., Schmitt-Rink, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Giant+excitonic+resonance+in+time-resoled+four-wave+mixing+in+quantum+wells%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Giant excitonic resonance in time-resoled four-wave mixing in quantum wells.</a> Phys. Rev. Lett. 68, 1006-1009 (1992).</li>
<li>Rappen, T., Peter, U., Wegener, M., Schäfer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coherent+dynamics+of+continuum+and+exciton+states+studied+by+spectrally+resolved+fs+four-wave+mixing%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Coherent dynamics of continuum and exciton states studied by spectrally resolved fs four-wave mixing.</a> Phys. Rev. B. 48, 4879-4882 (1993).</li>
<li>Cundiff, S. T., Koch, M., Knox, W. H., Shah, J., Stolz, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+coherence+in+semiconductors%3A+Strong+emission+mediated+by+nondegenerate+interactions%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Optical coherence in semiconductors: Strong emission mediated by nondegenerate interactions.</a> Phys. Rev. Lett. 77, 1107-1110 (1996).</li>
<li>Hall, K. C., Allan, G. R., van Driel, H. M., Krivosheeva, T., Pötz, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coherent+response+of+spin-orbit+split-off+excitons+in+InP%3A+Isolation+of+many-body+effects+through+interference%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Coherent response of spin-orbit split-off excitons in InP: Isolation of many-body effects through interference.</a> Phys. Rev. B. 65, 201201(R)-201204(R) (2002).</li>
<li>Shah, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aShah%2C+J+%22Ultrafast+Spectroscopy+of+Semiconductors+and+Semiconductor+Nanostructures%22">Ultrafast Spectroscopy of Semiconductors and Semiconductor Nanostructures</a>. Cardona, M. , Springer. Berlin. (1996).</li>
<li>Yajima, T., Taira, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+optical+parametric+coupling+of+picoseconds+light+pulses+and+transverse+relaxation+effect+in+resonant+media%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Soc.+Jpn%22%5BJournal%5D)">Spatial optical parametric coupling of picoseconds light pulses and transverse relaxation effect in resonant media.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 47, 1620-1626 (1979).</li>
<li>El Sayed, K., Birkedal, D., Lyssenko, V. G., Hvam, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuum+contribution+to+excitonic+four-wave+mixing+due+to+interaction-induced+nonlinearities%3A+A+numerical+study%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Continuum contribution to excitonic four-wave mixing due to interaction-induced nonlinearities: A numerical study.</a> Phys. Rev. B. 55, 2456-2465 (1997).</li>
<li>Hügel, W. A., Heinrich, M. F., Wegener, M., Vu, Q. T., Bányai, L., Haug, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photon+echoes+from+semiconductor+band-to-band+continuum+transitions+in+the+regime+of+coulomb+quantum+kinetics%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Photon echoes from semiconductor band-to-band continuum transitions in the regime of coulomb quantum kinetics.</a> Phys. Rev. Lett. 83, 3313-3316 (1999).</li>
<li>Reina, J. H., Quiroga, L., Johnson, N. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+entanglement+and+information+processing+via+excitons+in+optically+driven+quantum+dots%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+A%22%5BJournal%5D)">Quantum entanglement and information processing via excitons in optically driven quantum dots.</a> Phys. Rev. A. 62, 012305-012312 (2000).</li>
<li>Troiani, F., Hohenester, U., Molinari, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploiting+exciton-exciton+interactions+in+semiconductor+quantum+dots+for+quantum-information+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Exploiting exciton-exciton interactions in semiconductor quantum dots for quantum-information processing.</a> Phys. Rev. B. 62, R2263-R2266 (2000).</li>
<li>Biolatti, E., Lotti, R. C., Zanardi, P., Rossi, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+information+processing+with+semiconductors+macroatoms%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Quantum information processing with semiconductors macroatoms.</a> Phys. Rev. Lett. 85, 5647-5650 (2000).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

De vier-golfmengingstechniek kan worden gebruikt om de tijdschaal voor coherentieafname op optische overgangen in een breed scala aan materiaalsystemen te meten.  Voor verschillende toepassingen in geavanceerde elektronica en opto-elektronica is deze faseverschuivingstijd van cruciaal belang.  Bijvoorbeeld, in kwantumcomputertoepassingen (waarvoor excitonovergangen in halfgeleiders in verschillende voorstellen de fundamentele kwantumbit vertegenwoordigen36-38), bepaalt de faseverschuivingstijd het tijdsvenster waarin kwantumoperaties en foutcorrectie moeten worden uitgevoerd.  De tijdschaal voor coherentieafname wordt bepaald door de snelste verstrooiingsprocessen van elektronen en gaten in het materiaal, en dus geven metingen van de faseverschuivingstijd ook inzicht in de aard en sterkte van de bijbehorende interacties die verantwoordelijk zijn voor deze snelle verstrooiingsprocessen.  Het type interacties dat betrokken is, zal sterk afhangen van het halfgeleidersysteem dat wordt bestudeerd, en zal zowel transport als coherentieafname bepalen in elke apparaattoepassing die dit materiaal gebruikt.  De vier-golfmengingsmethode biedt daarom een belangrijk hulpmiddel om materialen te karakteriseren die interessant zijn voor elektronische en opto-elektronische apparaten van de volgende generatie.  In dergelijke studies is de tijdsresolutie de belangrijkste beperking.  Deze resolutie wordt bepaald door de duur van de optische puls, die korter moet zijn dan de faseverschuivingstijd in het te onderzoeken materiaal.  De specifieke experimentele configuratie die hier wordt beschreven, wordt idealiter toegepast op de studie van snelle vervalprocessen (< een paar picoseconden in duur).  Voor het meten van langzamere tijddynamiek worden vaak lock-in detectiemethoden en een langzaam-scannende vertragingsfase met een groter bewegingsbereik gebruikt.
Hier verduidelijken we het nut van deze techniek voor de onderzoek van III-V verdunde magnetische halfgeleiders, waarin sterke gat-Mn uitwisselingskoppeling leidt tot door dragers gemedieerde ferrimagnetisme.  Spin-flip verstrooiing tussen gaten en Mn-ionen wordt ook veroorzaakt door de gat-Mn uitwisselingsinteractie. We hebben aangetoond dat vier-golfmengingstechnieken kunnen worden gebruikt om een directe meting van de tijdschaal van dit proces te verkrijgen, wat inzicht biedt in de uitwisselingskoppeling in deze belangrijke klasse van materialen. We hebben ook aangetoond dat de niet-lineariteit van de vier-golfmengingstechniek een zeer gevoelige sonde biedt van de bandrandtoestanden in deze materialen, waardoor duidelijke kenmerken van het (s,p)-d hybridisatieproces worden gegeven, dat de oorsprong is van de sterke uitwisselingskoppeling in dit systeem.  De verhoogde gevoeligheid van vier-golfmenging ten opzichte van lineaire optische technieken (bijv. absorptie, ellipsometrie, magnetische circulaire dichroïsme) voor deze bandrandtoestanden komt voort uit de niet-lineariteit van deze techniek, die defect-gerelateerde bijdragen aan het optische antwoord onderdrukt.
Dit werk legt de basis voor toepassingen van deze techniek om sleutelfysische eigenschappen van belang te bestuderen, zoals de elektronische structuur en uitwisselingskoppeling, in een breed scala van III-V verdunde magnetische halfgeleiders.  Dit zal het mogelijk maken om deze materialen te ontwerpen voor toepassingen in halfgeleider-spintronica, inclusief een hele reeks magneto-gevoelige elektronische en opto-elektronische apparaten.

III-V verdunde magnetische halfgeleiders vertonen ferromagnetische koppeling gemedieerde door dragers (gaten), waardoor externe manipulatie van magnetische eigenschappen mogelijk is door elektrische en optische controle van de dragerpopulatie.  Deze eigenschap maakt deze materialen aantrekkelijk voor een groot aantal magneto-gevoelige elektronische en opto-elektronische apparaten1-15, inclusief de mogelijke integratie van logica en geheugen.11-15  Het realiseren van dergelijke toepassingen vereist een goed begrip van de fundamentele eigenschappen van deze materialen; de grote dichtheid van defecten geassocieerd met hun groei bij lage temperaturen (essentieel voor de substituerende incorporatie van magnetische dopants zoals Mn) bemoeilijkt echter de theoretische behandeling van uitwisselingskoppeling en ferromagnetische orde16-18.  Deze defecten belemmeren ook de interpretatie van transport- en lineaire optische experimenten op deze materialen19-24.
De bruikbaarheid van de niet-lineaire optische techniek van vier-golfmenging spectroscopie voor het verkrijgen van nieuwe inzichten in deze materialen werd onlangs onthuld in experimenten op GaMnAs25,26, die de prototype III-V verdunnde magnetische halfgeleider vertegenwoordigt.  De niet-lineariteit van de techniek bleek een veel grotere gevoeligheid te bieden voor fijne structuur in de optische gezamenlijke toestandsdichtheid, wat wijst op een sterke verbetering van het optische interband-antwoord met de incorporatie van Mn25.  Deze waarneming is een signatuur van (s,p)-d hybridisatie die recent was voorspeld in tight-binding berekeningen18.  Dit nieuwe inzicht werd mogelijk gemaakt door het lage optische dipoolmoment geassocieerd met overgangen die de defecttoestanden in het midden van het gat betreffen, die deze effecten van hybridisatie maskeren in lineaire optische experimenten27.  De hoge tijdresolutie van de vier-golfmenging techniek is ook gebruikt om de eerste  directe meting van de tijdschaal van gat-Mn spin-flip verstrooiing in dit systeem te verkrijgen26,  wat nieuw inzicht biedt in uitwisselingskoppeling.  Deze experimenten toonden ook aan dat het optische antwoord van dit materiaal een fotonecho is, wat aangeeft dat de defaseringstijd onafhankelijk is van dragerenergie ondanks defect-geïnduceerde lokalisatie.
Hier presenteren we een gedetailleerde beschrijving van de vier-golfmenging techniek die in de verwijzingen25,26 wordt gebruikt, waarbij wordt geïllustreerd hoe deze kan worden gebruikt om de defaseringstijd (T2), het niet-lineaire (derde-orde) spectrale antwoord en de aard van verruiming (homogeen of inhomogeen) in een materiaal van belang te meten.  Spectraal-opgeloste en temporeel-opgeloste experimentele configuraties worden gepresenteerd, samen met een uitleg van de nul-achtergrond autocorrelatie techniek die wordt gebruikt in combinatie met een prisma compressor om de pulsduur op de monsterpositie te minimaliseren.  Deze pulsduur bepaalt de algehele tijdresolutie van de techniek en moet onder de 30 fsec zijn om spin-flip verstrooiing in GaMnAs op te lossen.  Het etch-proces dat wordt gebruikt om de GaMnAs-monsters voor experimenten in de transmissie geometrie voor te bereiden, wordt ook benadrukt.  Dit werk bouwt voort op de gevestigde bruikbaarheid van vier-golfmenging technieken voor het bestuderen van verstrooiingsprocessen en veel-lichaamseffecten in traditionele halfgeleiders28-32 door het uit te breiden naar de onderzoek van fundamentele interacties en elektronische structuur in verdunde magnetische halfgeleiders.  Onze resultaten zullen gevolgen hebben voor de langetermijn engineering van deze nieuwe magnetische materialen.

<table><tbody><tr><td>Ti:Saffier Oscillator</td><td>Coherent</td><td>Mira-Seed</td><td>Onderdeel van volledig lasersysteem</td></tr><tr><td>Manuele vertaalfase</td><td>Newport</td><td>462</td><td>Hoeveelheid: 2</td></tr><tr><td>Optische/optomechanische componenten</td><td>Thorlabs, Andere</td><td>Diverse</td><td></td></tr><tr><td>DC Gereguleerd voeding</td><td>Tenma</td><td>72-6628</td><td></td></tr><tr><td>Functiegenerator</td><td>GW Instek</td><td>GFG-8216A</td><td></td></tr><tr><td>Digitale vertragingsgenerator</td><td>Stanford Research Systems</td><td>DG645</td><td></td></tr><tr><td>Luidsprekerversterker</td><td>Sony</td><td>XM-222W</td><td></td></tr><tr><td>Silicionfotodetector</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A</td><td></td></tr><tr><td>Fotomultiplicatorbuis</td><td>Hamamatsu</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Digitaal oscilloscoop</td><td>Tektronix</td><td>TDS2024B</td><td></td></tr><tr><td>Optische cryostaat</td><td>Janis</td><td>ST-300</td><td></td></tr><tr><td>Cornerstone 260 Monochromator</td><td>Newport</td><td>Newport 74110</td><td></td></tr><tr><td>Saffiervenster</td><td>General Ruby and Sapphire</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Citruszuur</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>C1909</td><td></td></tr><tr><td>Optische lijm</td><td>Norland</td><td>Thorlabs NOA61</td><td></td></tr><tr><td>Waterstofperoxide-oplossing</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>H3410</td><td></td></tr><tr><td>De-ioniseerd water</td><td></td><td></td><td>Water uit een Type I watersysteem</td></tr></tbody></table>

meting van coherentie-verval in gamnas met behulp van femtoseconde vier-golf-mixing

Measurement of Coherence Decay in GaMnAs Using Femtosecond Four-wave Mixing

De toepassing van femtoseconde vier-golf-mixing voor het onderzoek naar fundamentele eigenschappen van verdunde magnetische halfgeleiders ((s,p)-d hybridisatie, spin-flip verstrooiing) wordt beschreven, met behulp van experimenten op GaMnAs als een prototype III-Mn-V systeem.  Spectraal-opgeloste en tijdsopgeloste experimentele configuraties worden beschreven, inclusief het gebruik van zero-background autocorrelatietechnieken voor pulsoptimalisatie.  Het etsproces dat wordt gebruikt om GaMnAs-monsters voor te bereiden voor vier-golf-mixing experimenten wordt ook benadrukt.  De hoge temporele resolutie van deze techniek, mogelijk gemaakt door het gebruik van korte (20 fsec) optische pulsen, maakt het mogelijk om het snelle spin-flip verstrooiingsproces in dit systeem direct in het tijdsdomein te bestuderen, wat nieuwe inzichten biedt in de sterke uitwisselingskoppeling die verantwoordelijk is voor carrier-gemedieerde ferromagnetisme.  We laten ook zien dat spectrale resolutie van het vier-golf-mixing signaal het mogelijk maakt om duidelijke kenmerken van (s,p)-d hybridisatie in dit systeem te extraheren, in tegenstelling tot lineaire spectroscopietechnieken.   Deze verhoogde gevoeligheid is te wijten aan de non-lineariteit van de techniek, die defect-gerelateerde bijdragen aan het optische antwoord onderdrukt. Deze methode kan worden gebruikt om de tijdschaal voor coherentie-verval (gekoppeld aan de snelste verstrooiingsprocessen) te meten in een breed scala aan halfgeleidersystemen van belang voor de volgende generatie elektronica en opto-elektronica.

Typische resultaten van een SR-FWM-experiment op GaxMn1-xAs (x = 0,005 %) worden getoond in Figuur 2(b), samen met resultaten van een referentiemonster van GaAs gekweekt onder dezelfde laagtemperatuuromstandigheden (Figuur 2(a)). Het succes van de experimenten wordt aangetoond door de hoge signaal-ruisverhouding, waardoor variaties in de signaalamplitude (aangegeven door de kleurenschaal) als functie van zowel de tijdsvertraging als de fotonenergie duidelijk kunnen worden beoordeeld. Een hoge signaal-ruisverhouding wordt bereikt door de monsterpositie zorgvuldig te optimaliseren om een heldere plek op het monster te lokaliseren met minimale verstrooiing van het licht door de excitatiepulsen. Voor een succesvol experiment is het bovendien vereist dat de dikte van het monster vergelijkbaar is met de absorptiediepte voor de fotonenergie van de excitatiepulsen. Dit maximaliseert het optische signaal van het monster zonder propagatie-effecten te introduceren die de analyse zouden bemoeilijken. Voor de resultaten in Figuur 2 was de optische dichtheid 0,2. De verbreding van het SR-FWM-signaal naar hogere energieën in GaMnAs ten opzichte van GaAs wordt toegeschreven aan de invloed van (s,p)-d hybridisatie van het substitutionele Mn binnen het GaAs-gastkristal op de toestandsdichtheid van de valentieband25.
Een doorsnede van de tweedimensionale SR-FWM-gegevens in Figuur 2(b) wordt getoond in Figuur 3(a) voor een vaste fotonenergie van 1.533 eV, wat de afhankelijkheid van het signaal van de vertraging tussen de excitatiepulsen illustreert. Dit vertragingsafhankelijke signaal kan worden gefit met een analytisch model33 geconvolueerd met het eindige laserpulsprofiel (gemeten met nul-achtergrond autocorrelatietechnieken), waardoor de defaseringstijd voor elektron-gatparen kan worden bepaald (T2 = 65 fsec voor de getoonde gegevens). Deze fits worden aangegeven door de doorgetrokken curves in Figuur 3. Indien veeldeeltjeseffecten een sterke rol spelen in het bestudeerde monster, kan een complexere analyse vereist zijn34,35. Dit is het geval voor de SR-FWM-gegevens in bij lage temperatuur gegroeide GaAs in Figuur 2(a) bij het exciton (1.515 eV), waar het signaal wordt gemedieerd door excitonverstrooiing met vrije ladingsdragerovergangen34. In GaMnAs voor energieën boven de bandgap van GaAs biedt het eenvoudigere twee-niveaumodel een goede overeenstemming, wat wijst op de afwezigheid van veeldeeltjeseffecten. Dergelijke effecten dragen veel sterker bij in traditionele GaAs die bij verhoogde temperaturen is gegroeid25,26,35.
De resultaten van TR-FWM-experimenten op hetzelfde GaMnAs-monster zijn weergegeven in Figuur 3(b). Voor deze gegevens is de vertraging tussen de twee excitatiepulsen 54 fsec, en de horizontale as toont de signaalenveloppe versus de aankomsttijd van de gate-puls ten opzichte van de four-wave mixing-signaalpuls bij het BBO-kristal. De positie van het pieksignaal in TR-FWM-experimenten biedt een manier om onderscheid te maken tussen homogeen verbreedde en inhomogeen verbreedde optische overgangen, schematisch weergegeven in Figuur 4. In het laatste geval leidt de gelijktijdige excitatie van optische overgangen met een bereik aan resonantie-energieën tot een refasering van de polarisaties bij alle energieën op een tijdstip t ≈ 2tD, waarbij t de aankomsttijd is van de gate-puls ten opzichte van de four-wave mixing-puls en tD de vertraging is tussen pulsen E1 en E2. Hierbij is t = 0 de aankomsttijd van de puls E1. In Figuur 3(b) is tD = 54 fsec, en het TR-FWM-signaal piekt bij t ≈ 100 fsec, wat wijst op een fotonecho-respons voor de interband-optische overgangen in dit systeem. Het TR-FWM-signaal voor een reeks waarden van de inter-pulsvertraging tD is weergegeven in Figuur 5, wat een verschuiving van het signaal naar grotere t bij toenemende tD aangeeft. De uitstekende gelijktijdige overeenstemming tussen het analytische model en zowel de SR-FWM- (Figuur 3(a)) als de TR-FWM-resultaten (Figuur 3(b)) geeft aan dat many-body-effecten niet significant bijdragen en dat de defasingsnelheid onafhankelijk is van de overgangsenergie van de elektron-gatparen, ondanks defect-geïnduceerde lokalisatie in dit systeem. Uit vergelijking met gegevens in bij lage temperatuur gegroeide GaAs alsovel als GaAs gegroeid bij hoge temperatuur, wordt het dominante defasingsproces geïdentificeerd als hole-Mn spin-flip verstrooiing26, wat nieuw inzicht biedt in de uitwisselingsinteractie die verantwoordelijk is voor de ferromagnetische orde in dit systeem.
<img alt="Diagram van de opstelling voor ultrafast spectroscopie met laserpad, cryostaat, pulscompressor, PMT." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51094/51094fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51094/51094fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figuur 1"> 
Figuur 1. Schematisch diagram van de apparatuur voor viergolfmenging.
<img alt="Transient absorptiespectra, tijd-energiegrafiek; diagram dat spectrale veranderingen over de tijdvertraging laat zien." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51094/51094fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51094/51094fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figuur 2"> 
Figuur 2. SR-FWM resultaten van metingen aan bij lage temperatuur gegroeid GaAs (links) en Ga1-xMnxAs voor x = 0,005 % (rechts). De verticale as is de fotonenenergie waarbij het signaal wordt gedetecteerd, geselecteerd met behulp van de monochromator, en de horizontale as is de vertraging tussen pulsen E1 en E2.  Alle getoonde gegevens zijn opgenomen met de monsters bij 10 K.  Aangepast met toestemming uit referentie25.
<img alt="Grafieken van transiënte absorptiespectroscopie; vertraging versus tijd; fotonenenergie 1,533 eV; signaalfitting." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51094/51094fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51094/51094fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figuur 3"> 
Figuur 3. (a) SR-FWM resultaten versus interpulsvertraging in Ga1-xMnxAs voor x = 0,005% bij een fotonenenergie van 1,533 eV; (b) TR-FWM resultaten in hetzelfde monster versus de aankomsttijd van de gate-puls relatief aan de four-wave mixing puls bij het BBO-kristal dat is gebruikt voor somfrequentiegeneratie, wat de tijdenvelop van de four-wave mixing puls aangeeft. Voor deze gegevens is de vertraging tussen pulsen E1 en E2 vastgesteld op 54 fsec. De doorgetrokken lijnen tonen fits met behulp van het analytische model in referentie33. Alle getoonde gegevens zijn opgenomen met het monster bij 10 K. Deel (b) is aangepast met toestemming van referentie26.
<img alt="Homogene versus inhomogene verbreding; diagram van optische excitatie; concept van spectrale analyse." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51094/51094fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51094/51094fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figuur 4"> 
Figuur 4. Een schematische weergave van een homogeen verbreed (links) en inhomogeen verbreed (rechts) twee-niveausysteem.
<img alt="Grafiek van transiënte absorptiespectroscopie met vertragingstijdsgegevens voor optische excitatieanalyse." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51094/51094fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51094/51094fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figuur 5"> 
Figuur 5. TR-FWM resultaten voor Ga1-xMnxAs voor x = 0,005% als functie van de aankomsttijd van de gate-puls ten opzichte van de four-wave mixing-puls bij het BB0-kristal dat is gebruikt voor somfrequentiegeneratie.  Het signaal wordt weergegeven voor verschillende waarden van de vertraging tussen pulsen E1 en E2, aangegeven op de verticale as.

De techniek van femtoseconde vier-golf-mixing wordt beschreven, inclusief spectraal-opgeloste en tijd-opgeloste configuraties. We illustreren het nut van deze techniek voor de onderzoek van cruciale fysische eigenschappen in de III-V verdunde magnetische halfgeleiders, mogelijk gemaakt door zijn non-lineariteit en hoge tijdsresolutie.

Meting van coherentie-verval in GaMnAs met behulp van femtoseconde vier-golf-mixing

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, ...

Het doel van dit experiment is om de defacing-tijd in galliummangaanarsenide te meten met een hoge temporele resolutie middels de techniek van full wave mixing. Dit wordt bereikt door twee optische pulsen met golfvectoren K1 en K2 op het monster te richten. Samen wekken deze pulsen optische overgangen op die resonant zijn met de laserpuls, wat resulteert in de excitatie van een coherente elektronische polarisatiedichtheid.Deze polarisatie zendt licht uit in de richting 2K minus K een. Dit is het viergolfmengsignaal. De tijdsresolutie van deze techniek wordt bepaald door de duur van de optische puls.Deze duur wordt geminimaliseerd door de breedte van de autocorrelatie van de puls te meten terwijl een pulskompressor wordt afgesteld. De autocorrelatie wordt gedetecteerd door de intensiteit van de tweede harmonische te meten, gegenereerd door de para-pulsen als functie van de vertraging tussen de pulsen. De monsters voor deze experimenten zijn gegroeid via moleculaire bundelepitaxie door EK Ena en zijn medewerkers aan de University of Notre Dame.Ze worden voorbereid voor experimenten door het oppervlak op een saffiervenster te lijmen en het substraat te verwijderen; met het monster in de brandpuntsafstand van de laser wordt een meting uitgevoerd van de intensiteit van het uitgezonden viergolfmengingslicht als functie van de golflengte via spectrale resolutie met behulp van een monochromator en interpulsvertraging. De temporele envelop van het viergolfmengingssignaal wordt eveneens gemeten met behulp van een derde laserpuls door een crosscorrelatie uit te voeren van deze puls, genaamd een gate, met het viergolfmengingssignaal via somfrequentiegeneratie. Uiteindelijk verkrijgt men een meting van de defaseringstijd, ook wel de T2 of coherentiedecaytijd voor de elektron-gat paren genoemd.Exciteer de resonante interband-overgangen in het halfgeleidermonster. Men kan deze resultaten gebruiken om onderscheid te maken tussen een geïsoleerd tweeniveausysteem en een verzameling van dicht op elkaar gelegen overgangen. Dat laatste leidt tot een zogenaamde fotonecho en de tijd-opgeloste four-wave mixing respons.Met deze techniek kunnen we de snelste verstroiingsprocessen van elektronen en gaten in het halfgeleidersysteem tijdsgebaseerd analyseren. De bestudeerde verstroiingsprocessen bepalen zowel het transport als het coherentieverval, waardoor deze techniek een nuttig instrument biedt voor het bestuderen van halfgeleidermaterialen die relevant zijn voor innovatieve optische en elektronische apparaten. We hebben hier aangetoond dat het coherentieverval in galliummangaanarsenide plaatsvindt via spin-flip-verstrooiing tussen de gaten en de mangaanionen, waardoor we een directe meting konden verkrijgen van de tijdschaal van dit belangrijke proces.Dit biedt nieuw inzicht in de uitwisselingskoppeling die verantwoordelijk is voor de ferro-magnetische orde. In dit systeem kunnen galliummangaanarsenide en andere materialen binnen de familie van III-V verdunde magnetische halfgeleiders uiteindelijk de integratie van logica- en geheugenfuncties binnen computerhardware mogelijk maken. Dit maakt deel uit van het bredere onderzoeksveld van halfgeleiderspintronica, waardoor onze resultaten implicaties hebben voor de langetermijntechniek van deze materialen door de kracht en flexibiliteit van four-wave-mixingtechnieken aan te tonen voor het begrijpen van hun fundamentele eigenschappen. De optische opstelling voor tijd- en spectraal opgeloste four-wave-mixing bestaat uit een reeks spiegels en irisdiafragma's die dagelijks worden gebruikt om de basisuitlijning van de optische stralen binnen de opstelling te herstellen.Hierop volgt een pulskompressor die negatieve groepssnelheidsdispersie introduceert om de positieve groepssnelheidsdispersie te compenseren die wordt veroorzaakt door lenzen en optische vensters op de weg naar het monster. Na de kompressor wordt een straalsplitser gebruikt om de inkomende pulsen van de laser te verdelen in twee excitatiepulsen, E één en E twee. Het pad voor E één bevat een paar spiegels gemonteerd op een handmatige translatiepodia die wordt gebruikt voor grove aanpassingen van de vertraging tussen pulsen E één en E twee. Het pad voor puls E twee loopt naar beneden naar een lichtgewicht retroreflector op de conus van een luidspreker.Samen met een functiegenerator en stroomversterker maakt de luidspreker het mogelijk om de interpulsevertraging snel te scannen. Tijdens het experiment worden de twee bundels vervolgens met een enkele lens gefocust op het monster, dat zich in een optische cryostaat bevindt. Hierdoor kan het monster op elke gewenste temperatuur tussen 4 kelvin en 300 kelvin worden gehouden.Voor spectraal opgeloste, tijdgeïntegreerde experimenten wordt de viergolfmengingsemissie via een lens op een monochromator gericht en gedetecteerd met een snelle fotomultiplicatorebuis. Het signaal van de fotomultiplicator wordt gemeten als functie van de interpulsevertraging terwijl de positie van de speaker wordt gescand. Voor tijdopgeloste viergolfmenging wordt een oscilloscoop gebruikt.Een derde laserpuls wordt afgesplitst met behulp van een andere straalsplitser en wordt door een aparte optische vertragingslijn gestuurd die een andere luidspreker bevat. Deze puls wordt gemengd met het four-wave mixing-signaal in een beta barium boraat- of BBO-nietlineair kristal, en het resulterende somfrequentielicht wordt gedetecteerd door een andere fotomultiplicatierbuis. De duur van de excitatiepulsen wordt gemeten en geoptimaliseerd door beide E1- en E2-excitatiepulsen naar een tweede brandpunt hierheen te leiden.Een ander BBO-kristal wordt geplaatst om het tweede harmonische signaal dat voortvloeit uit de overlap van pulsen E één en E twee te meten als functie van de vertraging tussen de pulsen. De pulsduur wordt gemeten door eerst een grote vlakke spiegel te plaatsen om het brandpunt van de twee excitatiebundels van het monster naar een secundair brandpunt om te leiden.Een nietlineair kristal, geslepen voor type 1 fasematching bij 800 nanometer bij normale inval, wordt in het brandpunt geplaatst. De kristhouder maakt aanpassing langs alle drie de ruimtelijke assen mogelijk, evenals rotatie. Een optisch filter dat 800 nanometer blokkeert en 400 nanometer doorlaat, wordt na het nietlineaire kristal geplaatst om het licht van de tweede harmonische excitatiepulsen door te laten.De hoek van het kristal die de tweede harmonische optimaliseert uit de combinatie van beide excitatiepulsen samen is loodrecht invallend of precies tussen de hoeken in die de maximale helderheid van elk van de twee buitenste vlekken geven. De weglengte van puls E één wordt aangepast totdat de centrale tweede harmonische vlek op de witte kaart zichtbaar is. Deze centrale vlek is de autocorrelatie.Een snelle fotodiode die wordt gebruikt om de autocorrelatie te detecteren, is uitgelijnd met de centrale straal. De functiegenerator en versterker die de beweging van de luidspreker aansturen worden ingeschakeld, wat resulteert in een periodieke variatie in de weglengte van puls E twee.Het resulterende autocorrelatiesignaal kan worden waargenomen door de fotodiode aan de oscilloscoop te koppelen. De tijdas van de oscilloscoop kan worden omgezet naar pulsvertraging in femtoseconden door de weglengte van puls E, aangepast met de handmatige translatietrap, te correleren met de temporele positie van het pieksignaal van de tweede harmonische op de oscilloscoop. De pulsduur wordt geminimaliseerd door de prisma's in de pulscompressor af te stellen terwijl het autocorrelatiesignaal op de oscilloscoop wordt bekeken, waarbij het signaal zo smal mogelijk wordt gemaakt.De bereikte minimale polsduur bedraagt ongeveer 20 femtoseconden. Onze monsters bestaan uit een galliumarsenide-substraat van 500 micron, een aluminiumgalliumarsenide-laag van 175 nanometer en een dunne film galliummangaanarsenide van 750 nanometer. Voor experimenten in transmissiegeometrie moet het substraat worden verwijderd.Eerst wordt het monster met de monsterzijde naar beneden geplaatst op een kleine druppel optische lijm op een saffiervenster. Het monster wordt gelijkmatig aangedrukt om overtollige lijm onder het monsteroppervlak te verwijderen. Om de optische lijm te uitharden, wordt het monster gedurende ongeveer zes uur onder een ultravioletlamp geplaatst. Vervolgens wordt er tussen 300 en 400 micrometers van het substraat door slijpen verwijderd.Het resterende substraat wordt verwijderd door onderdompeling in een oplossing van citroenzuur en waterstofperoxide. Wanneer de stop-etslaag is bereikt, zal het uiterlijk van het monster overgaan van dof grijs naar een spiegelende finish, wat aangeeft dat het uit de oplossing kan worden gehaald. Na het spoelen met gedeïoniseerd water is het monster klaar om in de cryostaat te worden geplaatst voor four-wave mixing-experimenten.Zodra het autocorrelatiesignaal is geoptimaliseerd en het monster in de cryostaat is geplaatst, wordt de grote vlakke spiegel die voor de pulsmeting wordt gebruikt verwijderd. Voor spectraal opgeloste, maar tijdgeïntegreerde four-wave mixing-experimenten wordt de signaalbundel gefocust in een monochromator. Een uitlijningstool helpt om het four-wave mixing-signaal ruimtelijk te lokaliseren door de bundelvlekken die overeenkomen met pulsen E1 en E2 uit te lijnen.Op het kruispunt wordt een fotomultiplierbuis of PMT na de monochromator geplaatst en verbonden met de oscilloscoop. Let op: de hoogspanningsbias op de PMT mag alleen worden ingeschakeld wanneer de detector in het donker is. Software voor gegevensverwerving wordt gebruikt om de oscilloscoopcurve vast te leggen, wat het viergolfmengsignaal is tegenover de vertraging tussen pulsen E één en E twee voor elke gewenste golflengte. Voor tijdopgeloste viergolfmengexperimenten wordt de lens die in de monochromator focust verwijderd en wordt er een spiegel geplaatst om de straal van het viergolfmengsignaal op te vangen.De four-wave mixing-straal wordt samen met een gating-straal gefocust in een niet-lineair kristal, gevolgd door een filter om alleen de sum-frequency-straal door te laten. De kruiscorrelatie van het four-wave mixing-signaal en de gate-puls wordt vervolgens gemeten als functie van de vertraging van de gate-puls. Met behulp van een PMT wordt de vertraging van de gate-puls gevarieerd door de functiegenerator en versterker te verbinden met de speaker in het pad van de gate-puls.Het tijdopgeloste signaal wordt vervolgens geregistreerd met de data-acquisitiesoftware door het oscilloscoopspoor op te nemen voor vaste waarden van de vertraging tussen pulsen E één en E twee. Deze interpulsvertraging wordt ingesteld met behulp van de handmatige translatietafel in het straalpad voor puls E één. Typische resultaten van spectraal opgeloste four-wave mixing-experimenten worden getoond voor een referentie-monster van galliumarsenide dat bij lage temperatuur is gegroeid aan de linkerzijde, en galliummangaanarsenide voor een mangaanfractie van vijf duizendste van een procent.Aan de rechterkant worden de gegevens weergegeven als functie van de fotonenergie en de tijdsvertraging tussen de pulsen E één en E twee. De verbreding van het signaal naar hogere energieën in galliummangaanarsenide wordt toegeschreven aan een verhoogde toestandsdichtheid en de valentieband, veroorzaakt door SPD-hybridisatie van het substitutionele mangaan binnen het galliumarsenide-gastkristal. Ons doel is om de defaseringstijd in galliummangaanarsenide te meten voor ladingsdragers boven de bandkloof van galliumarsenide.In dit geval richten we ons op het tijdgeïntegreerde signaal bij een fotonenergie van 1,533 ev. Het tijdgeïntegreerde four-wave mixing-signaal versus de interpulsvertraging in galliummangaanarsenide wordt links getoond voor een fotonenergie van 1,533 ev. Het tijdopgeloste four-wave mixing-signaal in hetzelfde monster wordt rechts getoond versus de gatetijd voor een interpulsvertraging van 54 femtoseconden.De defocustijd wordt uit deze resultaten geëxtraheerd door aanpassing aan een analytisch model, aangegeven door de doorgetrokken lijnen. De geëxtraheerde defocustijd T₂ in galliummangaanarsenide is 65 femtoseconden. Uit vergelijking met gegevens in bij hoge en lage temperatuur gegroeid galliumarsenide wordt het dominante defocusproces geïdentificeerd als mangaan-spin-flipverstrooiing. Men kan deze tijdopgeloste four-wave mixing-experimenten gebruiken om onderscheid te maken tussen een geïsoleerd twee-niveausysteem, dat leidt tot vrije inductie-decay, en een verzameling nauw bij elkaar gelegen overgangen, wat leidt tot een fotonecho. De gemeten resultaten in galliummangaanarsenide vertonen de karakteristieke signatuur van een fotonecho, met een signaalpiek die naar positieve tijd verschuift bij een toenemende pulsvertraging.De piek vindt plaats bij ongeveer twee keer de interpulsvertraging. De goede overeenkomst tussen het analytische model voor een inhomogeen verbreedde overgang en de gemeten resultaten geeft aan dat veeldeeltjeseffecten niet significant bijdragen en dat de defaseringstijd onafhankelijk is van de fotonenergie, ondanks defect-geïnduceerde lokalisatie in dit systeem. Na het bekijken van deze video hopen we dat u een goed begrip heeft van de techniek van femtoseconde-viergolfmixing.Dit werk legt de basis voor de toepassing van deze techniek om fundamentele sleutelaanvullingen in verdunde magnetische halfgeleiders te bestuderen, zoals de elektronische structuur en uitwisselingskoppeling, en om de tijdschaal voor coherentieverval in andere nieuwe materialen te meten die relevant zijn voor elektronica van de volgende generatie.

measurement-coherence-decay-gamnas-using-femtosecond-four-wave

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Meetkunde van coherentie-verval in GaMnAs met behulp van femtoseconde vier-golfmenging

De gradiënt echo geheugen is een protocol voor het opslaan van optische quantum toestanden van licht in atomaire ensembles. Quantum geheugen is een belangrijk element van een quantum repeater, die het bereik van de quantum key distribution kan uitbreiden. Schetsen we de werking van de regeling wanneer geïmplementeerd in een 3-niveau atomaire ensemble.

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Het meetprotocol en data analyseprocedure worden gegeven voor het verkrijgen transversale coherentie van synchrotronstraling röntgenbron langs vier richtingen tegelijk via één 2-D dambord faseraster. Deze eenvoudige techniek kan worden toegepast voor volledige dwarse samenhang karakterisering van X-ray bronnen en X-ray optiek.

Meting van röntgenbundel coherentie langs meerdere richtingen gebruiken 2-D schaakbord faseraster

Niet-geroerde precipitatie polymerisatie geeft een snelle, reproduceerbare prototyping aanpak van de synthese van stimuli-gevoelige poly (N -isopropylacrylamide) microgels smalle grootteverdeling. In dit protocol synthese, lichtverstrooiing karakterisering en enkel deeltje fluorescentie volgen van deze microgels in een wide-field microscopie setup worden gedemonstreerd.

Gecontroleerde Synthese en Fluorescentie Tracking of Highly Uniform Poly (<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide) Microgels

Silicon fotonische chips hebben het potentieel om complexe geïntegreerde quantum systemen te realiseren. Hier voorgesteld is een werkwijze voor het bereiden en testen van een silicium chip voor fotonische quantum metingen.

Meting van Quantum Interference in een Silicon Ring Resonator Photon Source

Dit protocol beschrijft de belangrijkste stappen voor het uitvoeren en analyseren van pomp-sonde experimenten combineren een femtoseconde optische laser met een laser gratis-elektron om ultrasnelle photochemische reacties in de gasfase moleculen te bestuderen.

Een experimenteel Protocol voor femtoseconde NIR/UV - XUV pomp-Probe experimenten met gratis-elektron Lasers

Een protocol wordt gepresenteerd voor de praktische generatie en coherente manipulatie van hoge-dimensionale frequentie-bin verstrikt foton toestanden met behulp van geïntegreerde micro-holten en standaard telecommunicatie onderdelen, respectievelijk.

Generatie en coherente controle van gepulste Quantum frequentie kammen

Presenteren we een protocol voor indringende ultrasnelle vibrationele samenhangen in polyatomisch radicale caties die in moleculaire dissociatie resulteren.

Meting van de ultrasnelle vibrationele samenhangen in polyatomisch radicale caties met sterke-veld adiabatische ionisatie

Als een van de belangrijke fysieke parameters in halfgeleiders, is vervoerder levensduur hierin gemeten via een protocol met de magnetron photoconductivity verval methode.

Vervoerder levensduur metingen in halfgeleiders via de magnetron Photoconductivity verval methode

Hier presenteren we een protocol voor het uitvoeren van gevoelige, ruimtelijk opgelost gas spectroscopie in de regio Midden-infrarood, met behulp van ontaarde vier-Golf mengen gecombineerd met upconversion detectie.

Infrarood gedegenereerde vier-Golf mengen met Upconversion detectie voor kwantitatieve Gas detectie

Details van signaalgeneratie en -optimalisatie, meting, gegevensverwerving en gegevensverwerking voor een femtotweede time-resolved near-IR gestimuleerde Raman spectrometer worden beschreven. Een nabij infrarood gestimuleerde Raman studie over de opgewonden-staat dynamiek van β-caroteen in tolueen wordt getoond als een representatieve toepassing.

Ultrasnelle time-resolved Near-IR Stimulated Raman Metingen van Functionele π-conjugaat Systemen

Ontdek femtoseconde vier-golf-mixing voor het meten van coherentie-verval in GaMnAs. Deze methode biedt inzicht in spin-flip-verstrooiing en uitwisselingskoppeling voor spintronica-toepassingen.

Meting van coherentie-verval in GaMnAs met behulp van femtoseconde vier-golf-mixing

Meer video's verkennen