Resonantie fluorescentie van een InGaAs Quantum Dot in een vlakke ruimte met behulp van orthogonale excitatie en detectie

Het algemene doel van dit protocol is het bereiken van resonante excitatie van een quantum dot en gelijktijdige fluorescentiedetectie met behulp van orthogonale excitatie- en detectiemodi. De realisatie van resonante excitatie met fluorescentiedetectie is essentieel voor het bestuderen van licht-materie-interacties in laagdimensionale nanostructuren en het is gebruikt om kwantumoptische effecten zoals dress-toestanden te illustreren. Het grote voordeel van deze techniek is dat het de orthogonaliteit tussen de excitatie- en detectiemodi gebruikt om het verzamelen van laserverstrooiing te minimaliseren, waardoor de fluorescentiepolarisatie behouden blijft.

Deze techniek heeft implicaties voor quantumdot-bronnen van zeer onderscheidbare enkele fotonen en voor coherente controle en meting van elektronenspins in quantumdots. Zet de elementen van het experiment op een optische tafel. Een cryostaat om het monster vast te houden staat in het centrum van het experiment.

De optische elementen richten en focussen de uitvoer van drie lichtbronnen. Dit schema geeft een overzicht van de opstelling. Nogmaals, het monster dat in een cryostaat wordt gehouden, staat in het centrum.

Een lichtbron is een externe caviteit diodelaser die wordt gebruikt voor resonante excitatie. Een andere is een helium-neonlaser die wordt gebruikt voor excitatie boven de bocht. Er is ook een LED voor verlichting.

De resonante excitatielaserstraal passeert een polarisator en komt door een van de ramen van de cryostaat. De lenzen E1 en E2 vormen een Capillarian-telescoop. E1 bevindt zich op een XY-standaard om de excitatieplek lateraal te verschuiven.

E2 bevindt zich in een zoomhuisvesting om de scherptediepte te variëren. Licht van de verlichtingsbron en de helium-neonlaser komt het andere raam van de cryostaat binnen. Binnen het monster interageert het licht met de indiumgalliumarsenide quantumdots die zijn ingebed tussen twee gedistribueerde Bragg-reflectoren.

De gekloofde kant van het monster wordt blootgesteld aan de resonante excitatielaser. Fotoluminescentie van de quantum dot reist terug langs het optische pad van de helium-neonlaser. Het passeert een tweede Capillarian-telescoop met een ontwerp vergelijkbaar met de eerste, maar met eenheidsvergroting.

Een camera staat op zijn plaats om het licht van het monster te vangen om de uitlijning te vergemakkelijken. Een spectrometer staat op zijn plaats om de fotoluminescentie van het monster te verzamelen voor intensiteits- en spectraalanalyse. De positie van een spiegel M1 bepaalt of het licht naar de camera of de spectrometer gaat.

De eerste stap is het voorbereiden van een monster voor het experiment. Experimentmonsters worden gekloofd uit een groter monster dat is gekweekt met behulp van moleculaire bundelepitaxie. Naast het monster, hebt u een kopermonsterplaat, thermisch geleidende verf, een diamantschrijver en pincet met platte uiteinden klaar.

Benader het monster met de diamantschrijver. Gebruik deze om een kleine kras op de rand van de bovenkant van het monster te maken. Gebruik vervolgens het pincet om het monster aan elke kant van de kras vast te houden en breng een naar buiten draaiend koppel toe.

Verplaats het gekloofde monster naar de kopermonsterplaat en bevestig het met de thermisch geleidende verf. Neem vervolgens de kopermonsterplaat naar de cryostaat om het te monteren. Zorg ervoor dat het monster correct is georiënteerd voor het experiment.

De volgende stap is het installeren van een asferische objectieflens in de cryostaat. Deze lens is bevestigd in een translationele montage met drie vrijheidsgraden. Het behoort in het pad van de resonante excitatielaser en focust het licht op het gekloofde uiteinde van het monster.

In het begin moet de lens meer dan één brandpuntsafstand van het monster zijn. Met de lens in de cryostaat, zet de excitatielaser aan en centreer de lens erop. De hoogte van de lens moet hetzelfde zijn als die van het centrum van het monster.

Stel vervolgens een scherm van wit papier op in het laserpad achter het monster en observeer het scherm met een infraroodkijker. Er zou een heldere plek moeten zijn vanwege het licht dat door het monster wordt doorgelaten. Verplaats de lens langzaam naar het monster toe.

Bekijk het scherm door de kijker en stop wanneer een duidelijke silhouetbeeld van het monster verschijnt. Pas de lenspositie aan om de silhouet op het centrum van de heldere plek te centreren. Verplaats de lens langzaam verder naar het monster toe.

Het silhouetbeeld op het scherm zal vergroot worden en kan horizontaal verschuiven. Blijf de lens aanpassen om het beeld te centreren en te vergroten tot interferentiestrijpen zichtbaar worden. Verplaats de lens langzaam verder naar het monster toe.

Op elke dieptepositie, bewaak de strijpjes door de objectief links en rechts te schuiven. Verplaats de lens naar een positie die de afstand tussen de twee groepen strijpjes maximaliseert en bevestig deze. Pas vervolgens de laterale lenspositie aan om strijpjes op het papierscherm te minimaliseren.

Pas vervolgens de Capillarian-telescoop in het excitatiepad aan. De twee lenzen moeten worden gecentreerd op de resonante excitatielaserstraal. Verwijzend naar het schema, plaats lens E2 zodat deze en de asferische lens gescheiden zijn door de som van hun brandpuntsafstanden.

Stel ook de afstand tussen E1 en E2 in op de som van hun brandpuntsafstanden. Gebruik de infraroodkijker om het diffractiepatroon op het papierscherm te observeren terwijl u de hoogte van lens E1 aanpast. Het doel is om opnieuw de interferentiestrijpen te observeren. Schuif E2 voor- en achteruit terwijl u de strijpjes bewaakt door E1 links en rechts te schuiven.

Plaats E2 op de positie waar de groepen strijpjes het verst uit elkaar staan. Pas vervolgens lens E1 lateraal aan om de strijpjes te laten verdwijnen of te minimaliseren. Verwijder het scherm en ga door met het plaatsen en uitlijnen van de resterende optische elementen.

Koel het monster af tot 4,2 Kelvin en bereid u voor op spectrometrie. De inrichting moet worden geconfigureerd zoals in dit schema. Exciteer het monster met de helium-neonlaser en leid de fotoluminescentie van het monster naar de spectrometer.

Identificeer uit het resulterende gemeten emissiespectrum de emissiepieken tussen 860 en 900 nanometer. Dit komt overeen met emissie van de bevochtigingslaag. Voor de volgende meting, verander de configuratie om de camera te gebruik