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

Ogólnym celem tego protokołu jest osiągnięcie rezonansowego wzbudzenia kropki kwantowej i jednoczesnej detekcji fluorescencji przy użyciu ortogonalnych trybów wzbudzenia i detekcji. Realizacja wzbudzenia rezonansowego z detekcją fluorescencji jest niezbędna do badania oddziaływań materii lekkiej w niskowymiarowych nanostrukturach i została wykorzystana do zilustrowania kwantowych efektów optycznych, takich jak stany ubierania. Główną zaletą tej techniki jest to, że wykorzystuje ortogonalność między trybami wzbudzenia i detekcji w celu zminimalizowania zbierania rozpraszania laserowego, co zachowuje polaryzację fluorescencji.

Technika ta ma implikacje dla opartych na kropkach kwantowych źródeł wysoce nierozróżnialnych pojedynczych fotonów oraz dla koherentnej kontroli i pomiaru spinów elektronów w kropkach kwantowych. Ustaw elementy eksperymentu na stole optycznym. Kriostat do przechowywania próbki znajduje się w centrum eksperymentu.

Elementy optyczne kierują i skupiają moc wyjściową trzech źródeł światła. Ten schemat zawiera przegląd konfiguracji. Ponownie, próbka przechowywana w kriostacie znajduje się w środku.

Jednym ze źródeł światła jest zewnętrzny laser diodowy wnękowy służący do wzbudzenia rezonansowego. Innym jest laser helowo-neonowy używany do wzbudzenia powyżej zgięcia. Jest też dioda LED do oświetlenia.

Rezonansowa wiązka lasera wzbudzającego przechodzi przez polaryzator i wchodzi przez jedno okienko kriostatu. Soczewki E1 i E2 tworzą teleskop kapilarny. E1 znajduje się na stoliku XY, aby umożliwić boczne przesunięcie punktu wzbudzenia.

E2 znajduje się w obudowie zmiennoogniskowej, która umożliwia zmianę głębokości ostrości. Światło ze źródła oświetlenia i helowego lasera neonowego wpada do drugiego okna kriostatu. W próbce światło oddziałuje z kropkami kwantowymi arsenku indu i galu osadzonymi między dwoma rozmieszczonymi reflektorami Bragga.

Rozszczepiona powierzchnia próbki jest poddawana działaniu rezonansowego lasera wzbudzającego. Fotoluminescencja z kropki kwantowej przemieszcza się z powrotem wzdłuż ścieżki optycznej lasera helowo-neonowego. Przechodzi przez drugi teleskop kapilarny o konstrukcji podobnej do pierwszego, ale z powiększeniem jedności.

Kamera jest w stanie uchwycić światło z próbki w celu ułatwienia wyrównania. Spektrometr jest w stanie zebrać fotoluminescencję z próbki do analizy intensywności i spektralnej. Pozycja lustra uchylnego M1 określa, czy światło trafia do kamery, czy do spektrometru.

Pierwszym krokiem jest przygotowanie próbki do eksperymentu. Próbki eksperymentalne są rozszczepiane z większej próbki wyhodowanej przy użyciu epitaksji z wiązki molekularnej. Oprócz próbki przygotuj miedzianą płytkę próbną, farbę termoprzewodzącą, rysik diamentowy i pęsetę z płaskim końcem.

Podejdź do próbki z rysownikiem diamentowym. Użyj go, aby zrobić małą rysę na krawędzi górnej powierzchni próbki. Następnie użyj pęsety, aby przytrzymać próbkę po każdej stronie zadrapania i zastosuj moment obrotowy na zewnątrz.

Przenieś rozszczepioną próbkę na miedzianą płytkę próbną i przymocuj ją farbą przewodzącą ciepło. Następnie zabierz miedzianą płytkę próbną do kriostatu, aby ją zamontować. Upewnij się, że próbka jest prawidłowo zorientowana do eksperymentu.

Następnym krokiem jest zainstalowanie soczewki obiektywu asferycznego w kriostacie. Ten obiektyw jest zabezpieczony w mocowaniu translacyjnym o trzech stopniach swobody. Należy do ścieżki lasera wzbudzenia rezonansowego i skupia światło na rozszczepionym końcu próbki.

Na początku obiektyw powinien mieć więcej niż jedną ogniskową od próbki. Gdy soczewka znajduje się w kriostacie, włącz laser wzbudzający i wyśrodkuj na nim soczewkę. Wysokość soczewki powinna być taka sama jak wysokość środka próbki.

Następnie ustaw biały ekran papierowy na ścieżce lasera za próbką i obserwuj ekran za pomocą przeglądarki podczerwieni. Powinien istnieć jasny punkt ze względu na światło przepuszczane przez próbkę. Powoli przesuwaj soczewkę w kierunku próbki.

Obserwuj ekran przez przeglądarkę i zatrzymaj się, gdy pojawi się wyraźny obraz sylwetki próbki. Dostosuj położenie obiektywu, aby wyśrodkować sylwetkę w środku jasnego punktu. Kontynuuj powolne przesuwanie soczewki w kierunku próbki.

Obraz sylwetki na ekranie zostanie powiększony i może przesunąć się w poziomie. Kontynuuj regulację obiektywu, aby wyśrodkować obraz i powiększać go, aż będą widoczne prążki interferencyjne. Powoli przesuwaj soczewkę dalej w kierunku próbki.

W każdej pozycji głębokości monitoruj prędzle, przesuwając obiektyw w lewo i w prawo. Przesuń obiektyw do pozycji, która maksymalizuje odstępy między dwiema grupami frędzli i zabezpiecz go. Następnie dostosuj boczne położenie soczewki, aby zminimalizować obwódki na ekranie papieru.

Następnie ustaw teleskop kapilarny na ścieżce wzbudzenia. Obie soczewki powinny być wyśrodkowane na rezonansowej wiązce lasera wzbudzenia. Odnosząc się do schematu, ustaw soczewkę E2 tak, aby ona i soczewka asferyczna były oddzielone sumą ich ogniskowych.

Ustaw również separację między E1 i E2 jako sumę ich ogniskowych. Użyj przeglądarki podczerwieni, aby obserwować wzór dyfrakcyjny na ekranie papieru, jednocześnie regulując wysokość soczewki E1. Celem jest ponowna obserwacja prążków interferencyjnych. Przesuń E2 do przodu i do tyłu, monitorując prążki, przesuwając E1 w lewo i w prawo.

Umieść E2 w miejscu, w którym grupy brzegowe są najbardziej oddalone od siebie. Na koniec wyreguluj soczewkę E1 na boki, aby frędzle zniknęły lub zostały zminimalizowane. Zdejmij ekran i kontynuuj umieszczanie i wyrównywanie pozostałych elementów optycznych.

Schłodzić próbkę do temperatury 4,2 kelvina i przygotować do spektrometrii. Aparatura powinna być skonfigurowana tak, jak na tym schemacie. Wzbudzić próbkę za pomocą lasera helowo-neonowego i skierować fotoluminescencję z próbki do spektrometru.

Na podstawie uzyskanego zmierzonego widma emisyjnego zidentyfikuj pik emisji w zakresie od 860 do 900 nanometrów. Odpowiada to emisji z warstwy zwilżającej. Aby wykonać następny pomiar, zmień konfigurację do korzystania z kamery.

Użyj filtra długoprzepustowego przed aparatem, aby zablokować neon helowy. Włącz także światło iluminacyjne. Przesuń obiektyw L2 na boki podczas obserwacji obrazu z kamery.

Przykładowy obraz zostanie przesunięty przez ruch obiektywu. Zatrzymać się po zlokalizowaniu rozciętej krawędzi próbki. Teraz włącz rezonansowy laser wzbudzający o długości fali ustawionej tak, aby rezonowała z warstwą zwilżającą.

Na kamerze zidentyfikuj jasny punkt rozpraszania na rozszczepionej krawędzi próbki. Następnie dostosuj pozycję poziomą E1. Celem jest zaobserwowanie wzoru smug fotoluminescencji w aparacie i maksymalizacja jego intensywności. Następnie przesuń E1 w pionie, aby nałożyć smugę na plamkę fotoluminescencyjną spowodowaną wzbudzeniem neonu helowego.

Monitoruj i rejestruj intensywność fotoluminescencji. Systematycznie reguluj soczewki E1 i E2, aby zmaksymalizować intensywność. Zmień konfigurację z powrotem, aby korzystać ze spektrometru.

Skonfiguruj go do monitorowania dyfrakcji pierwszego rzędu w środku długości fali emisji zespołu kropek kwantowych. Następnie przejdź do lasera wzbudzającego. Dostosuj jego częstotliwość w całym zakresie energii zespołu kropek kwantowych.

Obserwuj emitowaną fotoluminescencję za pomocą kamery CCD podłączonej do spektrometru. Rezonansowo wzbudzona kropka kwantowa pojawi się jako dysk otoczony pierścieniami znanymi jako wzór obszarowy. Wybierz jasną kropkę kwantową, z którą chcesz pracować.

Zmaksymalizuj intensywność fotoluminescencji kropki, precyzyjnie dostrajając długość fali rezonansowego lasera wzbudzającego. Wspólnie wyreguluj E1 bocznie i E2 osiowo, aby osiągnąć maksymalną intensywność. Ta seria obrazów pochodzi z neutralnej kropki kwantowej w różnych rozstrojeniach, jak wskazano w gigahercach u góry każdego obrazu.

Dla porównania, ta seria pochodzi z naładowanej kropki kwantowej w różnych destrojeniach, również wskazanych na górze obrazów. Stan naładowany nie może być określony wyłącznie za pomocą widma. Użycie neutralnych obrazów kropek kwantowych i całkowanie intensywności w promieniu czterech pikseli środka obrazu daje widmo.

Widmo to jest wynikiem podobnej procedury z obrazami naładowanych kropek kwantowych o promieniu sześciu pikseli. Pomarańczowe kropki reprezentują znormalizowaną rezonansową intensywność wzbudzenia fotoluminescencji. Niebieskie kwadraty to dane z odpowiedniego zestawu obrazów.

Obrazy te pochodzą z ośmiu różnych kropek kwantowych o różnych długościach fal rezonansowych, które monotonicznie rosną od lewej do prawej. Wzór dysku o powierzchni centralnej z otaczającymi go pierścieniami jest typowym obrazem kropki kwantowej. Promienie pierścieni i dysku różnią się ze względu na współzależność długości fal i kątów emisji modów wnęki.

Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowicjuszami w tej metodzie, będą miały problemy ze światłem laserowym w falowodzie próbki, ponieważ wyrównanie jest bardzo czułe, a element kosztowy musi być wykonany w temperaturze pokojowej. Po przygotowaniu elementów eksperymentalnych wyrównanie można wykonać w ciągu kilku godzin, jeśli zostanie wykonane prawidłowo. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby monitorować prążki interferencyjne w celu prawidłowego ustawienia laserów wzbudzających, a wysokiej jakości obrazowanie powierzchni próbki ma kluczowe znaczenie, aby umożliwić wyrównanie ścieżek wzbudzenia i wykrywania.

Zgodnie z tą procedurą, ścieżka detekcji może zostać zmodyfikowana o kolejne elementy, takie jak analizator polaryzacji lub przestrajalny interferometr Fabry'ego-Perota. Technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się optyką kwantową ciała stałego do badania zjawisk rezonansowych w strukturach zerowymiarowych, takich jak kropki kwantowe. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak osiągnąć wzbudzenie rezonansowe kropki kwantowej i jednoczesną detekcję fluorescencji przy użyciu ortogonalnych trybów wzbudzenia i detekcji.