Artykuł metodologiczny

Fluorescencja rezonansowa kropki kwantowej InGaAs we wnęce płaskiej przy użyciu ortogonalnego wzbudzenia i detekcji

DOI:

10.3791/56435

⸱

13 października 2017

 ,  , 
1Department of Physics and Astronomy, West Virginia University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rezonansowe wzbudzenie pojedynczej, samodzielnie złożonej kropki kwantowej można osiągnąć za pomocą trybu wzbudzenia prostopadłego do trybu zbierania fluorescencji. Demonstrujemy metodę wykorzystującą falowody i mody Fabry'ego-Perota płaskiej mikrownęki otaczającej kropki kwantowe. Metoda pozwala na pełną dowolność w polaryzacji detekcji.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Możliwość jednoczesnego wzbudzenia rezonansowego i detekcji fluorescencji jest ważna dla kwantowych pomiarów optycznych kropek kwantowych (QD). Wzbudzenie rezonansowe bez detekcji fluorescencji – na przykład pomiar transmisji różnicowej – może określić pewne właściwości układu emitującego, ale nie pozwala na zastosowanie lub pomiary oparte na emitowanych fotonach. Na przykład pomiar korelacji fotonów, obserwacja trypletu Mollowa i realizacja pojedynczych źródeł fotonów wymagają zebrania fluorescencji. Wzbudzenie niekoherentne z detekcją fluorescencyjną – na przykład wzbudzenie powyżej przerwy energetycznej – może być wykorzystane do tworzenia pojedynczych źródeł fotonów, ale zakłócenie otoczenia spowodowane wzbudzeniem zmniejsza nierozróżnialność fotonów. Pojedyncze źródła fotonów oparte na QD będą musiały być wzbudzone rezonansowo, aby mieć wysoką nierozróżnialność fotonów, a jednoczesne zbieranie fotonów będzie konieczne, aby z nich skorzystać. Demonstrujemy metodę rezonansowego wzbudzania pojedynczego QD osadzonego we wnęce płaskiej poprzez sprzężenie wiązki wzbudzenia z tą wnęką z rozszczepionej powierzchni próbki, jednocześnie zbierając fluorescencję wzdłuż normalnego kierunku powierzchni próbki. Dzięki starannemu dopasowaniu wiązki wzbudzenia do trybu falowodu wnęki, światło wzbudzenia może łączyć się z wnęką i wchodzić w interakcje z QD. Rozproszone fotony mogą łączyć się z trybem Fabry'ego-Perota wnęki i uciekać w kierunku normalnym powierzchni. Ta metoda pozwala na pełną swobodę w polaryzacji detekcji, ale polaryzacja wzbudzenia jest ograniczona przez kierunek propagacji wiązki wzbudzenia. Fluorescencja z warstwy zwilżającej stanowi wskazówkę do wyrównania ścieżki zbierania w stosunku do wiązki wzbudzenia. Ortogonalność trybów wzbudzenia i detekcji umożliwia rezonansowe wzbudzenie pojedynczego QD przy znikomym tle rozpraszania laserowego.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rezonansowe wzbudzenie pojedynczego emitera kwantowego w połączeniu z detekcją fluorescencji było długoterminowym wyzwaniem eksperymentalnym, głównie ze względu na niemożność spektralnego odróżnienia słabej fluorescencji od silnego rozpraszania wzbudzenia. Trudność ta została jednak pomyślnie pokonana w ciągu ostatniej dekady dzięki dwóm różnym podejściom: wzbudzeniu konfokalnemu ciemnego pola opartemu na dyskryminacji polaryzacyjnej1,2,3,4,5, oraz ortogonalne wykrywanie wzbudzenia oparte na dyskryminacji w trybie przestrzennym6,7,8,9,10,11,12,13,14. Oba podejścia wykazują silną zdolność do znacznego tłumienia rozpraszania laserowego i dlatego są szeroko stosowane w różnych eksperymentach, na przykład obserwacja splątania spinowo-fotonowego5,15,16, demonstracja ubranych stanów2,7,12,17, 18,19,20,21,22,23,24,25,26, oraz spójna manipulacja ograniczonymi spinami3,27,28,29,30. Żadne z tych podejść nie może być uniwersalnie stosowane w każdej sytuacji; Każdy z nich jest ograniczony do pewnych określonych warunków. Technika ciemnego pola wykorzystuje stopień swobody polaryzacji fotonów do tłumienia wzbudzającego rozpraszania laserowego. Ta technika ma kilka zalet. Na przykład nie ma potrzeby stosowania dobrze zdefiniowanego trybu falowodu, który umożliwia implementację tylko konfokalną. Implementacja konfokalna pozwala na wzbudzenie spolaryzowane kołowo i możliwie ściślejsze skupienie wiązki wzbudzenia na emiterze kwantowym, co skutkuje wyższą intensywnością wzbudzenia. Jednak ta metoda selektywnej polaryzacji ogranicza polaryzację detekcji do ortogonalnej do polaryzacji wzbudzenia, a tym samym uniemożliwia pełną charakterystykę właściwości polaryzacyjnych fluorescencji. Dla porównania, dyskryminacja w trybie przestrzennym zachowuje pełną swobodę polaryzacji detekcji poprzez wykorzystanie ortogonalności między trybami propagacji wiązek wzbudzenia i detekcji w celu tłumienia rozpraszania laserowego4. Ograniczeniami tej techniki są konieczność struktury falowodu w próbce, aby zapewnić tryb wzbudzenia prostopadły do trybu detekcji oraz ograniczenie polaryzacji wzbudzenia, aby była prostopadła do kierunku propagacji wiązki.

Tutaj demonstrujemy protokół konstruowania ortogonalnej konfiguracji detekcji wzbudzenia opartej na wolnej przestrzeni dla eksperymentów z fluorescencją rezonansową. W porównaniu z pionierskimi pracami nad dyskryminacją w trybie przestrzennym, w których użyto światłowodu do sprzężenia światła z wnęką6, protokół ten zapewnia rozwiązanie w wolnej przestrzeni i nie wymaga komponentów kinetycznych do zamontowania ani próbki, ani światłowodu w kriostacie. Precyzyjna kontrola kierunków wiązki wzbudzenia i ścieżki detekcji jest manipulowana przez optykę zewnętrzną w stosunku do kriostatu, podczas gdy asferyczne soczewki singletowe działają jako obiektywy skupiające wewnątrz zimnego obszaru kriostatu. Dostarczamy reprezentatywne obrazy kluczowych etapów osiowania w procesie uzyskania wzbudzenia rezonansowego i detekcji fluorescencji z pojedynczej kropki kwantowej.

Próbka użyta do tej demonstracji jest hodowana metodą epitaksji z wiązki molekularnej (MBE). Kropki kwantowe InGaAs (QD) są osadzone w ramce dystansowej GaAs, która jest ograniczona przez dwa rozproszone reflektory Bragga (DBR), jak pokazano w widoku powiększenia próbki w Rysunek 1. Przekładka GaAs między DBR działa jak falowód, w którym wiązka wzbudzenia jest ograniczona przez całkowite odbicie wewnętrzne. DBR działają również jako lustra o wysokim współczynniku odbicia dla wektorów falowych, które są prawie normalne do płaszczyzny próbki. Tworzy to tryb Fabry'ego-Perota, do którego QD łączą się, emitując fluorescencję. Moda Fabry'ego-Perota musi współgrać z długością fali emisji λ QD, co wymaga, aby dystans GaAs był całkowitą wielokrotnością λ/n, gdzie n jest indeksem załamania GaAs. Do tej demonstracji grubość przekładki GaAs została wybrana na 4 λ/n, co wynosi około 1 μm, tak aby była bliska ograniczonemu dyfrakcji rozmiarowi plamki padającej wiązki wzbudzenia. Węższa przekładka skutkowałaby niższą wydajnością sprzężenia wiązki wzbudzenia z trybem falowodu.

Konfiguracja eksperymentalna jest pokazana na rysunku 1. Aby zmaksymalizować skuteczność sprzężenia, do skoncentrowania wiązki wzbudzenia na rozszczepionej powierzchni próbki wybrano asferyczny obiektyw Eobj o aperturze numerycznej NA=0,5 i ogniskowej 8 mm. Funkcja teleskopu keplerowskiego (składającego się z pary soczewek E1 i E2) na ścieżce wzbudzenia jest dwojaka: (1) wypełnienie apertury obiektywu wzbudzenia Eobj tak, aby wiązka wzbudzenia była ściśle skupiona w celu lepszego dopasowania trybu do falowodu (w tej realizacji średnica wiązki skolimowanej wynosi 2,5 mm) oraz (2) zapewnienie trzech stopni swobody do manewrowania ogniskiem wiązki wzbudzenia na rozszczepionej powierzchni próbki. Soczewka E1 jest zamontowana na mocowaniu translacyjnym X-Y, które zapewnia dwa stopnie swobody do swobodnego przesuwania miejsca wzbudzenia w płaszczyźnie rozszczepionej powierzchni próbki. Obiektyw E2 jest zamontowany na nieobrotowej obudowie zmiennoogniskowej, która zapewnia swobodę wyboru głębokości ogniskowania w próbce. Te trzy stopnie swobody pozwalają nam zoptymalizować wzbudzenie rezonansowe pojedynczego QD bez konieczności poruszania się samej próbki.

W ścieżce zbierania fluorescencji, używana jest podobna konfiguracja soczewek (Lobj, L1 i L2), aby umożliwić wykrywanie fluorescencji z różnych części próbki. Światło z próbki jest skupiane przez jedną z dwóch soczewek tubusowych na kamerze czułej na podczerwień (Lcam) lub na szczelinie wejściowej spektrometru (Lspec). Ruch L1 wzdłuż osi Z dostosowuje ostrość obrazu, a boczna translacja L2 powoduje, że obraz skanuje w poprzek płaszczyzny próbki. Ogniskowe L1 i L2 są równe, więc ich powiększenie jest jednością. Ma to na celu maksymalizację zakresu, jaki L2 może zostać przesunięty, zanim nastąpi winietowanie.

Aby ułatwić wyrównanie i lokalizację QD, do zestawu włączono domowy oświetlacz oparty na oświetleniu Kohlera, jak pokazano w Rysunek 1. Celem oświetlenia Kohlera jest zapewnienie równomiernego oświetlenia próbki i zapewnienie, że obraz źródła światła oświetlenia nie jest widoczny na obrazie próbki. Konfiguracje soczewek zarówno oświetlacza, jak i ścieżki zbierania są starannie zaprojektowane, aby oddzielić sprzężone płaszczyzny obrazu próbki i źródła światła. Każdy obiektyw na ścieżce zbierania jest oddzielony od swoich sąsiadów sumą ich ogniskowych. Gwarantuje to, że wszędzie tam, gdzie próbka obrazu jest ostra – na przykład na matrycy aparatu – obraz źródła światła jest całkowicie rozostry. Podobnie, gdy obraz źródła światła jest ostry – na przykład na tylnej płaszczyźnie ogniskowej obiektywu – przykładowy obraz jest całkowicie rozogniskowany. Źródłem światła jest komercyjna dioda elektroluminescencyjna (LED) emitująca prąd o długości fali 940 nm. Przysłona umożliwia regulację natężenia oświetlenia, a przysłona pola określa pole widzenia, które ma być oświetlane. Kluczem do uzyskania równomiernego oświetlenia jest ustawienie odległości między obiektywem K4 i L2 tak, aby była sumą ogniskowych dwóch obiektywów oraz upewnienie się, że przysłona Lobj nie jest przepełniona przez oświetlenie. W tym protokole oświetlenie jest również wykorzystywane do optymalizacji odległości między Lobj a próbką.

Obiektyw Lobj i soczewka tubusu zapewniają 20-krotne powiększenie kamery lub spektrometru. Para soczewek L3 i L4 pomiędzy Lobj i Lspec tworzy kolejny teleskop keplerowski, który zapewnia dodatkowe 4-krotne powiększenie obrazu na urządzeniu ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) spektrometru. Dodanie soczewek L3 i L4 daje całkowite powiększenie 80x, które jest niezbędne do przestrzennego odróżnienia fluorescencji od pobliskich QD. L3 i L4 są zamontowane na odwracanych mocowaniach, aby ułatwić przełączanie powiększenia, ponieważ powiększenie 20x zapewnia większe pole widzenia próbki.

Aby nałożyć pole widzenia ścieżki zbierania na ścieżkę wiązki wzbudzenia przez falowód, pomocna jest emisja z kontinuum warstwy zwilżającej kropki kwantowe. Długość fali emisyjnej warstwy zwilżającej można wyznaczyć, mierząc widmo emisyjne próbki pod powyższym wzbudzeniem pasma wzbronionego. W przypadku naszej próbki emisja warstwy zwilżającej zachodzi przy około 880 nm w temperaturze 4,2 K. Poprzez sprzężenie wiązki laserowej cw o długości fali 880 nm z falowodem próbki, można zaobserwować wzór smugi utworzony przez PL z warstwy zwilżającej, który pokazano na załączonym filmie. Smuga ujawnia ścieżkę rozchodzenia się światła wzbudzenia, które zostało sprzężone z falowodem. Obecność tej smugi w połączeniu z możliwością obrazowania powierzchni próbki sprawia, że wyrównanie jest proste.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Uwaga: Proszę pamiętać o możliwych zagrożeniach związanych z rozpraszaniem lasera podczas wyrównywania. W celu ochrony noś odpowiednie okulary ochronne. Aby ułatwić proces osiowania, niezbędna jest przeglądarka podczerwieni (IR-viewer). Karta fluorescencyjna czuła na podczerwień jest również pomocna, ale nie jest to konieczne.

1. Przygotowanie próbki

  1. Użyj rysika diamentowego, aby wykonać maleńką rysę na krawędzi górnej powierzchni próbki w żądanym miejscu rozszczepienia. Użyj dwóch par pęsety z płaskimi końcami, aby przytrzymać próbkę po obu stronach zadrapania. Zastosuj pęsetą moment obrotowy obracający się na zewnątrz, a próbka pęknie.
    UWAGA: Długa rysa nie jest konieczna, aby ułatwić rozszczepianie i prawdopodobnie przetnie warstwę falowodu, uniemożliwiając sprzężenie światła. Rozszczepiona powierzchnia jest na tyle delikatna, że każde dotknięcie jej powierzchni może uszkodzić powierzchnię falowodu.
  2. Przymocuj rozszczepiony fragment próbki do miedzianej płytki próbnej za pomocą przewodzącej ciepło srebrnej farby lub srebrnej żywicy epoksydowej.
    UWAGA: Rozcięta powierzchnia powinna być zlicowana z krawędzią płyty montażowej, aby laser wzbudzający uderzał w powierzchnię próbki bez zakłóceń.
  3. Zamontuj miedzianą płytkę w kriostacie tak, aby zarówno rozszczepiona powierzchnia, jak i powierzchnia próbki były optycznie dostępne przez okienka kriostatu.

2. Wyrównanie ścieżki wzbudzenia rezonansowego

UWAGA: Aby zmaksymalizować efektywność sprzężenia z falowodem, profil padającej wiązki wzbudzenia musi być dopasowany do profilu wyimaginowanej wiązki rozchodzącej się do tyłu wychodzącej z falowodu.

  1. Zgrubne wyrównanie wiązki lasera wzbudzającego do rozszczepionej powierzchni próbki.
    1. Użyj stopni swobody sprzęgacza światłowodowego FC0 i lustra M0, aby skierować wiązkę wzbudzenia na rozszczepioną powierzchnię próbki przed zainstalowaniem soczewek wzbudzających.
    2. Wypoziomować wiązkę wzbudzenia w poziomie zarówno w stosunku do stołu optycznego, jak i w stosunku do płaszczyzny próbki.
  2. Montaż celu wzbudzenia Eobj
    1. Umieść soczewkę asferyczną Eobj w uchwycie translacyjnym o trzech stopniach swobody translacyjnej. Wyśrodkuj Eobj na laserze i ustaw wysokość Eobj tak, aby była taka sama jak środek próbki.
    2. Ustaw biały ekran papierowy za próbką wzdłuż ścieżki wzbudzenia. Użyj wizjera w podczerwieni, aby zaobserwować jasny punkt na papierze spowodowany światłem laserowym przechodzącym przez próbkę.
    3. Przesuwaj Eobj w kierunku próbki powoli, aż na papierze będzie można zobaczyć wyraźny obraz sylwetki próbki. Dostosuj wysokość i pozycję boczną Eobj, aby wyśrodkować sylwetkę na środku jasnego punktu.
    4. Przesuwaj powoli Eobj w kierunku próbki, a obraz sylwetki na ekranie ulegnie powiększeniu. W międzyczasie dostosuj pozycję boczną Eobj (lewo/prawo), aby skompensować przesunięcie w poziomie obrazu sylwetki.
      UWAGA: Podczas powolnego przemieszczania się Eobj do próbki, w pewnym momencie zaczną pojawiać się prążki dyfrakcyjne. Zapewnia to nowe odniesienie do umieszczenia skupionego miejsca w warstwie powierzchniowej próbki.
    5. Przesuwaj Eobj w kierunku próbki powoli. W każdym miejscu Eobj przesuń Eobj w lewo/w prawo, zwiększając odstępy między obramowaniami, aż będzie widoczna tylko jedna obwódka, aby poszukać otoczek na ekranie.
      Uwaga: Będą dwie grupy prążków, jedna po lewej i jedna po prawej stronie powierzchni próbki.
    6. Umieść slajd Eobj Eobj w pozycji, która minimalizuje liczbę widocznych prążków.
  3. Ustawienie soczewek teleskopu E1 i E2
    1. Włóż soczewki E1 i E2 do ścieżki wzbudzenia wyśrodkowanej na wiązce laserowej. Pozycja E2 oddzielona od Eobj sumą ich ogniskowych. Ustaw odległość między E1 i E2 jako sumę ich ogniskowych, np. f1 + f2 = 150 mm.
    2. Obserwuj sylwetkę i wzór dyfrakcyjny na papierze za pomocą wizjera w podczerwieni. Dostosuj wysokość E1, aby wyśrodkować sylwetkę w środku jasnego punktu oświetlenia laserowego.
    3. Przesuń E2 w kierunku lub od E1, jednocześnie regulując boczne położenie E1. Zabezpiecz E1 i E2 w miejscach, w których obie grupy marginesów albo znikają, albo pokazują minimalną liczbę prążków w widoku.
    4. Włóż pionowo zorientowany polaryzator POL przed E1 i wyśrodkuj go na wiązce wzbudzenia.
      Uwaga: Niektóre polaryzatory mają niewielki kąt klina, w którym to przypadku wiązka wzbudzenia ulegnie odchyleniu kątowemu. Użyj E1 i E2, aby skompensować to odchylenie.

3. Wyrównanie ścieżki zbierania fotoluminescencji

UWAGA: Wydajność systemu obrazowania wbudowanego w ścieżkę zbierania danych zależy głównie od precyzji pozycjonowania Lobj ze względu na jego krótką ogniskową (fobj = 10mm, NA=0.55). Wyrównanie Lobj składa się z dwóch ogólnych etapów: zgrubnego wyrównania za pomocą lasera HeNe oraz precyzyjnego dostrajania za pomocą iluminatora i masowej emisji ekscytonów GaAs. Te etapy wyrównywania są wykonywane z próbką w temperaturze pokojowej.

  1. Wyrównanie powyższej ścieżki wzbudzenia pasma wzbronionego (HeNe) i instalacja kamery:
    1. Połącz wiązkę laserową z górną przerwą energetyczną (HeNe) w światłowód jednomodowy.
    2. Skieruj wiązkę wyjściową z kolimatora światłowodowego FC1 na próbkę za pomocą lustra M3.
    3. Przechyl FC1 w poziomie, aby wyśrodkować plamkę lasera na próbce w odległości około 1 mm od rozciętej krawędzi. Przechyl M3 w poziomie, aby przesunąć wsteczne odbicie wiązki laserowej tak, aby znajdowało się tuż powyżej lub poniżej wiązki padającej. Powtórz ten proces kilka razy, aż spełnisz oba kryteria.
    4. Przechyl FC1 i M3 w pionie, aby wypoziomować wiązkę HeNe w stosunku do stołu optycznego i utrzymuj ją skierowaną na próbkę.
    5. Użyj przeglądarki podczerwieni, aby zlokalizować zarówno laser rezonansowy, jak i plamki lasera HeNe na próbce. Sprawdź, czy środek plamki lasera HeNe znajduje się na tej samej wysokości co rezonansowa plamka lasera. Jeśli nie, użyj FC1 i M3, aby dopasować wysokości belki, utrzymując belkę HeNe na poziomie stołu.
    6. Włóż niepolaryzacyjną kostkę rozdzielacza wiązki (90:10), NPBS, do ścieżki HeNe. Wyśrodkuj sześcian w padającej wiązce HeNe.
    7. Zlokalizuj dwie wiązki na wyjściu rozdzielacza wiązki do ścieżki zbierania, jedną z odbicia od próbki, a drugą z odbicia wewnętrznego w sześcianie.
    8. Obróć sześcian o mały kąt (~5 stopni) tak, aby dwie belki można było łatwo rozdzielić na wyjściu. Światło odbite od powierzchni próbki może być wykorzystane jako surowy przewodnik do wyrównania kamery.
      UWAGA: Kierunek belki odbitej wewnętrznie nie zmieni się, gdy sześcian zostanie obrócony wokół osi pionowej.
    9. Wypoziomuj sześcian w stosunku do stołu optycznego, upewniając się, że wiązka HeNe odpowiadająca wewnętrznemu odbiciu wewnątrz sześcianu znajduje się na tej samej wysokości co wiązka przychodząca.
    10. Umieść kamerę czułą na podczerwień na ścieżce odbitej od tyłu wiązki HeNe. Użyjobiektywu tubusu L cam o ogniskowej 200 mm, aby ustawić ostrość przykładowego obrazu na aparacie.
      UWAGA: Domowy system tubusów służy do umieszczeniaobiektywu L cam, jak pokazano na Rysunek 1, który zapobiega wykrywaniu światła rozproszonego w pomieszczeniu przez kamerę.
    11. Ustaw filtr długoprzepustowy 800 nm, F1, przedkrzywką L, aby odfiltrować światło HeNe, co umożliwia obserwację PL z próbki za pomocą kamery.
  2. Montaż i optymalizacja położenia soczewki Lobj
    1. Umieść soczewkę asferyczną Lobj w uchwycie translacyjnym o trzech stopniach swobody translacyjnej. Wyśrodkuj Lobj na laserze HeNe i ustaw separację od próbki na ogniskową, fobj = 10 mm.
    2. Ustaw parę obiektywów L1 i L2 (f1 = f2 = 50 mm) za pomocą mocowania translacyjnego X-Y, w którym jedna strona jest nieruchoma, a druga ruchoma w płaszczyźnie bocznej kontrolowanej przez mikrometry.
      UWAGA: Obiektyw L2 wchodzi w ruchomą stronę mocowania. L1 jest utrzymywany przez tubus obiektywu i przymocowany do stałej strony mocowania. System tubusu zapewnia swobodę regulacji odległości między dwoma soczewkami poprzez wkręcanie/wykręcanie tubusu obiektywu przytrzymującego L1 wzdłuż osi optycznej.
    3. Ustaw odległość między dwoma obiektywami na 100 mm. Ustaw L2 na środku mocowania, regulując mikrometry.
    4. Włóż kombinację soczewek L1 i L2 do ścieżki HeNe między NPBS a kriostatem. Ustaw odległość między L1 i Lobj na fobj + f1. Wyśrodkuj L1 i L2 na padającym świetle HeNe.
    5. Włóż iluminator i błonkę do ścieżki zbierania, jak pokazano na Rysunek 1. Ustaw odległość między obiektywami K4 i L2 jako sumę ich ogniskowych.
    6. Wyśrodkuj wiązkę oświetlenia na L2, regulując kąt oświetlacza.
    7. Dostosuj kąt błonki, aby wyśrodkować światło podświetlenia odbitego od tyłu widoczne na obrazie z kamery do punktu PL spowodowanego wzbudzeniem HeNe.
      UWAGA: W celu wyrównania można zamknąć przysłonę pola, aby zlokalizować środek oświetlanego obszaru.
    8. Używając tylko światła oświetlacza, znajdź wadę powierzchni lub kurz na próbce, patrząc na kamerę. W razie potrzeby przeszukaj inne części próbki, przesuwając L2 na boki.
    9. Lekko postukaj Lobj do środka/na zewnątrz wzdłuż osi optycznej, aby krawędź wady lub kurzu była najostrzejsza.
    10. Przesuń L2 z powrotem do środka mocowania.
    11. Wyświetl plamkę PL wzbudzoną HeNe w aparacie i przesuń Lobj w poziomie, tak aby plamka PL znajdowała się 1-2 mm od rozszczepionej krawędzi próbki.
      UWAGA: Dla odległości mniejszej niż 1 mm rozpraszanie laserowe od rozszczepionej krawędzi próbki zostanie zebrane przez obiektyw Lobj. Natomiast w odległości zbyt dużej odległości od rozszczepionej powierzchni wiązka wzbudzenia może ulec tłumieniu przed osiągnięciem głębokości przełożenia, co zmniejsza maksymalną dostępną moc wzbudzenia.
    12. Przesuń L2 w poziomie, aż przecięta krawędź próbki zostanie pokazana na kamerze w oświetleniu.
    13. Powoli przesuń Lobj w pionie, aby poszukać jasnej plamki lasera na rozszczepionej krawędzi próbki, co jest spowodowane rozproszeniem rezonansowej wiązki wzbudzenia na rozszczepionej powierzchni próbki.
    14. Wypoziomuj plamkę PL spowodowaną wzbudzeniem HeNe do jasnej plamki lasera na rozszczepionej krawędzi próbki.
  3. Wyrównanie ścieżki wzbudzenia HeNe względem nowego położenia Lobj.
    UWAGA: Aby zmaksymalizować skanowalny obszar i zminimalizować winietowanie, konieczne jest ponowne wyśrodkowanie optyki wzbudzenia i wiązki wzbudzenia w stosunku do położenia Lobj.
    1. Usuń L1 i L2. Wyśrodkuj wiązkę wzbudzenia na Lobj, upewniając się, że wiązka znajduje się w normalnym kierunku powierzchni próbki.
    2. Wyśrodkuj L2 na uchwycie. Wyśrodkuj zarówno L1, jak i L2 na padającej wiązce wzbudzenia. Ustaw odległość między L1 i Lobj jako sumę dwóch ogniskowych, tj. f1 + fobj.
    3. Zmień położeniekrzywki L tak, aby była wyśrodkowana na odbitej wiązce HeNe. Zmień położenie kamery tak, aby wzbudzony przez HeNe PL (użyj filtra długoprzepustowego) był wyśrodkowany na obrazie.
    4. Dostosuj kąt oświetlacza i osłony, aby wyśrodkować światło świetlne na L2 i na plamce PL spowodowane wzbudzeniem HeNe.
  4. Ustawienie lusterek M1 i M2.
    UWAGA: Laser skierowany do tyłu przez spektrometr ułatwi wyrównanie.
    1. Monitoruj PL wzbudzony HeNe z próbki przy kamerze. Wyśrodkuj tęczówkę (tęczówkę A) na PL między błonką a M1.
    2. Środkową soczewkę Lna wiązce wstecznej i umieść ją o jedną ogniskową fspec od szczeliny wejściowej spektrometru.
    3. Wysłać wiązkę wsteczną ze spektrometru do próbki, odbijając się od dwóch luster, M1 i M2.
    4. Ustaw inną przysłonę (Iris B) międzyM2 a L spec i wyśrodkuj ją na wiązce zwrotnej.
    5. Steruj M2, aby wyśrodkować wiązkę cofania na tęczówce A. Steruj M1, aby wyśrodkować PL na tęczówce B. Powtórz ten proces kilka razy, aż oba kryteria zostaną spełnione.
    6. Zlokalizuj środek szczeliny wejściowej (szerokość 30 μm) spektrometru na CCD, monitorując dyfrakcję światła w pomieszczeniu o zerowym rzędzie.
    7. Otwórz szczelinę wejściową spektrometru. Dzięki zastosowaniu filtra długoprzepustowego o długości fali 800 nm, na przetworniku CCD można zaobserwować PL z próbki pod wzbudzeniem HeNe.
    8. Skierować M1, aby wyśrodkować to miejsce w szczelinie wejściowej spektrometru i na środkowej wysokości CCD, a następnie sterować M2, aby wyśrodkować wiązkę wsteczną na tęczówce A. Powtórz ten proces kilka razy, aż oba kryteria zostaną spełnione.
    9. Wyrównanie pary obiektywów L3 i L4: Umieść L3 w ścieżce kolekcji PL w miejscu oddalonym od obiektywu L2 o f2 + f3. Umieść L4 na ścieżce zbierania oddzielonej od L3 sumą ich ogniskowych, f3 + f4. Dostosuj pozycję boczną L4, aby wyśrodkować plamkę PL na CCD.

4. Nakładanie się ścieżki zbierania PL w odniesieniu do ścieżki wzbudzenia rezonansowego

  1. Schłodzić próbkę do temperatury 4,2 K. Przy wzbudzeniu powyżej pasma użyj spektrometru, aby określić długość fali emisji warstwy zwilżającej (zwykle około 880 nm).
  2. Ustaw filtr długoprzepustowy 800 nm F1 przedkrzywką L, aby zablokować światło HeNe. Za pomocą światła oświetlającego przesuń L2 w poziomie, aby zlokalizować rozszczepioną krawędź próbki w aparacie.
  3. Ustaw długość fali wzbudzenia bocznego tak, aby rezonowała z warstwą zwilżającą. Zlokalizuj jasny punkt rozpraszania na rozszczepionej krawędzi próbki w aparacie.
  4. Obserwuj "wzór smug" fotoluminescencji w aparacie, dostosowując boczne położenie E1. Zmaksymalizuj intensywność smugi, przesuwając E1 na boki.
    UWAGA: "Smuga" to emisja warstwy zwilżającej, co oznacza, że wiązka wzbudzenia jest sprzężona z falowodem próbki.
  5. Ustaw E1 w pionie, aby przesunąć smugę tak, aby nakładała się na plamkę PL spowodowaną wzbudzeniem HeNe.
  6. Zapisz intensywność warstwy zwilżającej PL. Dostosuj E2 w jednym kierunku, a następnie ponownie zoptymalizuj położenie E1; ponownie zapisz intensywność PL i porównaj z wcześniejszą wartością.
  7. Jeśli intensywność wzrosła, powtórz regulację E2 w tym samym kierunku. Jeśli intensywność zmniejszyła się, odwróć regulację E2. Powtórz tę procedurę, aby znaleźć optymalne pozycje zarówno dla E1, jak i E2.

5. Wzbudzenie rezonansowe pojedynczej kropki kwantowej

UWAGA: Istnieją dwa możliwe podejścia do realizacji wzbudzenia rezonansowego pojedynczego QD: (1) dostrojenie częstotliwości wzbudzenia lasera do określonego rezonansu QD; lub (2) skanowanie częstotliwości lasera poprzez energie rezonansowe zespołu QD, aż do momentu zaobserwowania fluorescencji rezonansowej z pojedynczego QD.

  1. Metoda (1) - Wzbudzenie celowane:
    1. Ustaw spektrometr tak, aby monitorował dyfrakcję pierwszego rzędu w środku długości fali emisji zespołu QD pod wzbudzeniem powyżej przerwy energetycznej. Otwórz szczelinę wejściową spektrometru.
    2. Dostosuj moc wzbudzenia w górnym paśmie, aż pojawi się świecące tło z powodu wzbudzenia ogona kontinuum stanów warstwy zwilżającej. Zamknąć szczelinę wejściową na 30 μm.
    3. Przesuń L2 w bok, aby znaleźć odpowiednią głębokość kolejki - na przykład najjaśniejszą w polu widzenia. Zapisz długość fali QD λQD zmierzoną przez spektrometr.
    4. Dostosuj długość fali rezonansowego lasera wzbudzenia tak, aby była taka sama jak λQD.
      UWAGA: Często spektrometr może odebrać słaby sygnał rozpraszania rezonansowego lasera wzbudzającego z optyki. Jeśli nie, skieruj rozszczepienie wiązki wzbudzenia do spektrometru.
    5. Zmaksymalizuj intensywność PL QD na CCD, precyzyjnie dostrajając częstotliwość lasera wzbudzenia.
      UWAGA: W przypadku niektórych QD potrzebna jest niewielka ilość światła HeNe, aby umożliwić rezonansowe wzbudzenie QD10,31,32. Wymagana moc lasera HeNe jest zwykle tak niska - kilkaset nanowatów - że żadna fluorescencja spowodowana wyłącznie przez tę wiązkę HeNe nie może być wykryta przez CCD.
    6. Zmaksymalizuj intensywność PL QD, regulując wysokość i pozycję boczną soczewki E1 oraz pozycję osiową soczewki E2. Wspólnie zoptymalizuj pozycje soczewek E1 i E2, aby zmaksymalizować intensywność fluorescencji rezonansowej z QD.
  2. Metoda (2) - Poszukiwanie spektralne:
    1. Ustaw spektrometr tak, aby monitorował dyfrakcję pierwszego rzędu w środku długości fali emisji zespołu QD. Otwórz szczelinę wejściową spektrometru.
    2. Dostosuj częstotliwość lasera wzbudzającego w całym zakresie energii zespołu QD. Rezonansowo wzbudzony QD pojawi się na CCD jako kropka otoczona kilkoma pierścieniami Airy'ego. Wybierz kolejkę przełożenia, która jest jasna.
    3. Zmaksymalizuj jego intensywność PL poprzez precyzyjne dostrojenie długości fali lasera wzbudzającego.
    4. Zmaksymalizuj intensywność PL kropki, regulując wysokość i pozycję boczną soczewki E1 oraz pozycję osiową soczewki E2. Wspólnie zoptymalizuj pozycje soczewek E1 i E2, aby zmaksymalizować intensywność fluorescencji rezonansowej z QD.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 1 pokazuje jedną szczególną realizację niezbędnego sprzętu do osiągnięcia rezonansowego wzbudzenia pojedynczej kropki kwantowej. Inne realizacje są możliwe, ale krytycznymi elementami są: ścieżka wzbudzenia do sprzężenia z falowodem; ścieżka zbierania do kierowania fluorescencji do detektorów; konfokalna ścieżka wzbudzenia do wzbudzenia wzdłuż ścieżki zbierania; oraz ścieżkę oświetlenia umożliwiającą obrazowanie powierzchni próbki.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kluczowymi krokami w protokole są: dopasowanie trybu i wyrównanie wiązki wzbudzenia do trybu falowodu; oraz prawidłowe ustawienie i ogniskowanie optyki kolekcji. Najtrudniejszymi częściami tych kroków są początkowe wyrównanie; Optymalizacja sprzężenia już wyrównanej konfiguracji jest stosunkowo prosta. Nakładanie się obszarów pobierania i wzbudzenia jest krokiem, który jest prosty dzięki możliwości zobrazowania próbki w kamerze, ale jest bardzo trudny bez tej możliwości. Aby uzyskać wysokiej jakości obrazowanie, kluczowe...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy dziękują Glennowi S. Solomonowi za dostarczenie próbki. Prace te były wspierane przez National Science Foundation (DMR-1452840).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Przestrajalny laser diodowy z zewnętrzną wnękąToptica PhotonicsDL-Pro
Kriostat o cyklu zamkniętymkriostacyjnyMontana Instruments
ogniskowej 750 mmPrinceton InstrumentsSpectraPro 2750
Chłodzone termoelektrycznie urządzenie ze sprzężeniem ładunkowymPrincetonInstruments Pixis 100BR-eXcelon
HeNe laserJDSU1125P
Kamera czuła na podczerwieńSonyNEX-5TLUsunięto filtr blokujący podczerwień
Miernik mocy i detektorNewport1918-C, 918D-IR-OD3
Regulowany kolimator z włókna asferycznegoThorlabsCFC-8X-A
Kolimator dubletowy w odstępach powietrznychF810APC-842
Chroniony Srebrne lustra x 5ThorlabsPF10-03-P01
Mocowania uchylne x 2ThorlabsFM90
Asferyczna soczewka kondensatora, f = 20 mm; K1ThorlabsACL2520-B
Najlepsza forma soczewki sferycznej, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2ThorlabsLBF254-050-B
Najlepsza forma soczewki sferycznej, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4ThorlabsLBF254-100-B
Najlepsza forma soczewki sferycznej, f = 200 mm; Lspec, LcamThorlabsLBF254-200-B
Soczewka płasko-wypukła, f = 400 mm; L3ThorlabsLA1172-B
Soczewka asferyczna ze szkła formowanego, f = 8 mm; EobjThorlabsC240TME-B
Asfera precyzyjna, f = 10 mm; LobjThorlabsAL1210-B
Filtry długoprzepustowe, 800 nm, x2ThorlabsFEL0800
Niepolaryzacyjny rozdzielacz wiązki (NPBS)ThorlabsBS029
Rozdzielacz wiązki pelikulowejThorlabsBP108
PolaryzatorThorlabsLPNIRE100-B
Dioda elektroluminescencyjna, 940 nmThorlabsM940D2
Spektrometr o

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kuhlmann, A. V., et al. A dark-field microscope for background-free detection of resonance fluorescence from single semiconductor quantum dots operating in a set-and-forget mode. Rev. Sci. Instrum. 84 (7), 073905(2013).
  2. Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -Y., Atatüre, M. Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence. Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).
  3. Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467 (7313), 297-300 (2010).
  4. Houel, J., et al. Probing Single-Charge Fluctuations at a GaAs/AlAs Interface Using Laser Spectroscopy on a Nearby InGaAs Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 108 (10), 107401(2012).
  5. Gao, W. B., Fallahi, P., Togan, E., Miguel-Sanchez, J., Imamoglu, A. Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon. Nature. 491 (7424), 426-430 (2012).
  6. Muller, A., et al. Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity. Phys. Rev. Lett. 99 (18), 187402(2007).
  7. Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nat. Phys. 5 (3), 203-207 (2009).
  8. Konthasinghe, K., et al. Coherent versus incoherent light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 85 (23), 235315(2012).
  9. Peiris, M., Konthasinghe, K., Yu, Y., Niu, Z. C., Muller, A. Bichromatic resonant light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 89 (15), 155305(2014).
  10. Chen, D., Lander, G. R., Krowpman, K. S., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Characterization of the local charge environment of a single quantum dot via resonance fluorescence. Phys. Rev. B. 93 (11), 115307(2016).
  11. Chen, D., Lander, G. R., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Polarization-Dependent Interference of Coherent Scattering from Orthogonal Dipole Moments of a Resonantly Excited Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 118 (3), 037401(2017).
  12. Ge, R. -C., et al. Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots. Opt. Lett. 38 (10), 1691(2013).
  13. Proux, R., Maragkou, M., Baudin, E., Voisin, C., Roussignol, P., Diederichs, C. Measuring the Photon Coalescence Time Window in the Continuous-Wave Regime for Resonantly Driven Semiconductor Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 114 (6), 067401(2015).
  14. Robertson, J., et al. Polarization-resolved resonant fluorescence of a single semiconductor quantum dot. Appl. Phys. Lett. 101 (25), 251118(2012).
  15. De Greve, K., et al. Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength. Nature. 491 (7424), 421-425 (2012).
  16. Schaibley, J. R., et al. Demonstration of Quantum Entanglement between a Single Electron Spin Confined to an InAs Quantum Dot and a Photon. Phys. Rev. Lett. 110 (16), 167401(2013).
  17. Gerardot, B. D., et al. Dressed excitonic states and quantum interference in a three-level quantum dot ladder system. New J. Phys. 11 (1), 013028(2009).
  18. Hargart, F., et al. Cavity-enhanced simultaneous dressing of quantum dot exciton and biexciton states. Phys. Rev. B. 93 (11), 115308(2016).
  19. 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: http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.4205v1.pdf (2007).
  20. Kim, H., Shen, T. C., Roy-Choudhury, K., Solomon, G. S., Waks, E. Resonant Interactions between a Mollow Triplet Sideband and a Strongly Coupled Cavity. Phys. Rev. Lett. 113 (2), 027403(2014).
  21. Unsleber, S., et al. Observation of resonance fluorescence and the Mollow triplet from a coherently driven site-controlled quantum dot. Optica. 2 (12), 1072(2015).
  22. Xu, X., et al. Coherent Optical Spectroscopy of a Strongly Driven Quantum Dot. Science. 317 (5840), 929-932 (2007).
  23. Muller, A., Fang, W., Lawall, J., Solomon, G. S. Emission Spectrum of a Dressed Exciton-Biexciton Complex in a Semiconductor Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 101 (2), 027401(2008).
  24. Roy-Choudhury, K., Hughes, S. Quantum theory of the emission spectrum from quantum dots coupled to structured photonic reservoirs and acoustic phonons. Phys. Rev. B. 92 (20), 205406(2015).
  25. Ulhaq, A., Weiler, S., Ulrich, S. M., Roßbach, R., Jetter, M., Michler, P. Cascaded single-photon emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot. Nat. Photonics. 6 (4), 238-242 (2012).
  26. Ulrich, S. M., et al. Dephasing of Triplet-Sideband Optical Emission of a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot inside a Microcavity. Phys. Rev. Lett. 106 (24), 247402(2011).
  27. Atature, M., Dreiser, J., Badolato, A., Hogele, A., Karrai, K., Imamoglu, A. Quantum-dot spin-state preparation with near-unity fidelity. Science. 312 (5773), 551-553 (2006).
  28. Kroner, M., et al. Resonant two-color high-resolution spectroscopy of a negatively charged exciton in a self-assembled quantum dot. Phys. Rev. B. 78 (7), 075429(2008).
  29. Press, D., Ladd, T. D., Zhang, B., Yamamoto, Y. Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses. Nature. 456 (7219), 218-221 (2008).
  30. Sun, S., Waks, E. Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics. Physical Review A. 94 (1), 012307(2016).
  31. Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots. Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114(2013).
  32. Nguyen, H. S., et al. Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401(2012).
  33. Benisty, H., De Neve, H., Weisbuch, C. Impact of planar microcavity effects on light extraction-Part I: basic concepts and analytical trends. IEEE J. Quantum Elect. 34 (9), 1612-1631 (1998).
  34. Köhler, A. Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke. Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik. 10 (4), 433-440 (1893).
  35. Köhler, A. New method of illumination for photomicrographical purposes. Journal Royal Microscopical Society (Great Britain). 14, 261-262 (1894).
  36. He, Y. -M., et al. On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability. Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Wzbudzanie rezonansowedetekcja fluorescencjiteleskop kapilarnyustawianie kriostatudetekcja spektrometrycznakontrola polaryzacji

Powiązane artykuły