Fluorescência de ressonância de um ponto de InGaAs quântica em uma cavidade Planar usando deteção e excitação ortogonal

O objetivo geral deste protocolo é obter excitação ressonante de um ponto quântico e detecção simultânea de fluorescência usando excitação ortogonal e modos de detecção. A realização de excitação ressonante com detecção de fluorescência é essencial para estudar as interações da matéria leve em nanoestruturas de baixa dimensão e tem sido usada para ilustrar efeitos ópticos quânticos, como estados de vestimenta. A principal vantagem dessa técnica é que ela usa ortogonalidade entre os modos de excitação e detecção para minimizar a coleta de espalhamento de laser que preserva a polarização de fluorescência.

Essa técnica tem implicações para fontes baseadas em pontos quânticos de fótons únicos altamente indistinguíveis e para controle e medição coerentes de spins de elétrons em pontos quânticos. Configure os elementos do experimento em uma bancada óptica. Um criostato para conter a amostra está no centro do experimento.

Os elementos ópticos direcionam e focalizam a saída de três fontes de luz. Este esquema fornece uma visão geral da configuração. Novamente, a amostra mantida em um criostato está no centro.

Uma fonte de luz é um laser de diodo de cavidade externa usado para excitação ressonante. Outro é um laser de néon de hélio usado para excitação acima da curvatura. Há também um LED para iluminação.

O feixe de laser de excitação ressonante passa por um polarizador e entra por uma janela do criostato. As lentes E1 e E2 formam um telescópio capilar. E1 está em um estágio XY para permitir o deslocamento lateral do ponto de excitação.

E2 está em uma caixa de zoom para permitir variar a profundidade do foco. A luz da fonte de iluminação e do laser de néon de hélio entra na outra janela do criostato. Dentro da amostra, a luz interage com os pontos quânticos de arseneto de índio e gálio embutidos entre dois refletores de Bragg distribuídos.

A face clivada da amostra é exposta ao laser de excitação ressonante. A fotoluminescência do ponto quântico viaja de volta ao longo do caminho óptico do laser de néon de hélio. Ele passa por um segundo telescópio capilar com um design semelhante ao primeiro, mas com ampliação de unidade.

Uma câmera está em posição para capturar a luz da amostra para facilitar o alinhamento. Um espectrômetro está em posição de coletar a fotoluminescência da amostra para análise de intensidade e espectral. A posição de um espelho flip M1 determina se a luz vai para a câmera ou para o espectrômetro.

O primeiro passo é preparar uma amostra para o experimento. As amostras experimentais são clivadas de uma amostra maior cultivada usando epitaxia de feixe molecular. Além da amostra, prepare uma placa de amostra de cobre, tinta termicamente condutora, um escriba de diamante e uma pinça de ponta plana.

Aproxime-se da amostra com o escriba de diamante. Use-o para fazer um pequeno arranhão na borda da superfície superior da amostra. Em seguida, use a pinça para segurar a amostra em cada lado do arranhão e aplique um torque rotativo para fora.

Mova a amostra clivada para a placa de amostra de cobre e prenda-a com a tinta termicamente condutora. Em seguida, leve a placa de amostra de cobre ao criostato para montá-la. Certifique-se de que a amostra esteja orientada corretamente para o experimento.

O próximo passo é instalar uma lente objetiva asférica no criostato. Esta lente é fixada em uma montagem translacional com três graus de liberdade. Ele pertence ao caminho do laser de excitação ressonante e focaliza a luz na extremidade clivada da amostra.

No início, a lente deve estar a mais de uma distância focal da amostra. Com a lente no criostato, ligue o laser de excitação e centralize a lente nele. A altura da lente deve ser igual à do centro da amostra.

Em seguida, configure uma tela de white paper no caminho do laser atrás da amostra e observe a tela com um visualizador infravermelho. Deve haver um ponto brilhante devido à luz transmitida através da amostra. Traduza lentamente a lente em direção à amostra.

Observe a tela através do visualizador e pare quando uma imagem de silhueta clara da amostra aparecer. Ajuste a posição da lente para centralizar a silhueta no centro do ponto brilhante. Continue transladando lentamente a lente em direção à amostra.

A imagem da silhueta na tela será ampliada e poderá se deslocar horizontalmente. Continue ajustando a lente para centralizar a imagem e ampliá-la até que as franjas de interferência sejam visíveis. Translade lentamente a lente em direção à amostra.

Em cada posição de profundidade, monitore as franjas deslizando a objetiva para a esquerda e para a direita. Mova a lente para uma posição que maximize o espaçamento entre os dois grupos de franjas e prenda-a. Em seguida, ajuste a posição lateral da lente para minimizar as franjas na tela de papel.

Em seguida, ajuste o telescópio capilar no caminho de excitação. As duas lentes devem estar centradas no feixe de laser de excitação ressonante. Referindo-se ao esquema, posicione a lente E2 de forma que ela e a lente asférica sejam separadas pela soma de suas distâncias focais.

Além disso, defina a separação entre E1 e E2 como a soma de suas distâncias focais. Use o visualizador infravermelho para observar o padrão de difração na tela do papel enquanto ajusta a altura da lente E1. O objetivo é observar novamente as franjas de interferência. Deslize E2 para frente e para trás enquanto monitora as franjas deslizando E1 para a esquerda e para a direita.

Coloque E2 na posição onde os grupos marginais estão mais distantes. Por fim, ajuste a lente E1 lateralmente para que as franjas desapareçam ou sejam minimizadas. Remova a tela e continue colocando e alinhando os elementos ópticos restantes.

Resfrie a amostra a 4,2 Kelvin e prepare para espectrometria. O aparelho deve ser configurado como neste esquema. Excite a amostra com o laser de néon de hélio e direcione a fotoluminescência da amostra para o espectrômetro.

A partir do espectro de emissão medido resultante, identifique o pico de emissão entre 860 e 900 nanômetros. Isso corresponde à emissão da camada de umedecimento. Para a próxima medição, altere a configuração para usar a câmera.

Use um filtro de passagem longa na frente da câmera para bloquear a luz de néon de hélio. Além disso, acenda a luz de iluminação. Desloque a lente L2 lateralmente enquanto observa a imagem da câmera.

A imagem de amostra será deslocada pelo movimento da lente. Pare depois de localizar a borda clivada da amostra. Agora ligue o laser de excitação ressonante com o comprimento de onda definido para ser ressonante com a camada de umedecimento.

Na câmera, identifique um ponto de dispersão brilhante na borda clivada da amostra. Em seguida, ajuste a posição horizontal de E1. O objetivo é observar um padrão de fotoluminescência na câmera e maximizar sua intensidade. Em seguida, mova E1 verticalmente para sobrepor a faixa com o ponto de fotoluminescência causado pela excitação do hélio e neônio.

Monitore e registre a intensidade da fotoluminescência. Ajuste sistematicamente as lentes E1 e E2 para maximizar a intensidade. Altere a configuração de volta para usar o espectrômetro.

Configure-o para monitorar a difração de primeira ordem no centro do comprimento de onda de emissão do conjunto de pontos quânticos. Em seguida, vá para o laser de excitação. Sintonize sua frequência em toda a faixa de energia do conjunto de pontos quânticos.

Observe a fotoluminescência emitida com a câmera CCD acoplada ao espectrômetro. Um ponto quântico ressonantemente excitado aparecerá como um disco cercado por anéis conhecidos como padrão de área. Selecione um ponto quântico brilhante para trabalhar.

Maximize a intensidade da fotoluminescência do ponto ajustando o comprimento de onda do laser de excitação ressonante. Ajuste conjuntamente E1 lateralmente e E2 axialmente para atingir a intensidade máxima. Esta série de imagens é de um ponto quântico neutro em diferentes dessintonias, conforme indicado em gigahertz no topo de cada imagem.

Para comparação, esta série é de um ponto quântico carregado em diferentes desafinações também indicadas na parte superior das imagens. O estado carregado não pode ser determinado apenas usando o espectro. Usando as imagens de pontos quânticos neutros e integrando a intensidade dentro de um raio de quatro pixels do centro da imagem, obtém-se o espectro.

Esse espectro é o resultado de um procedimento semelhante com as imagens de pontos quânticos carregados e um raio de seis pixels. Os pontos laranja representam a intensidade de excitação de fotoluminescência ressonante normalizada. Os quadrados azuis são dados do conjunto de imagens correspondente.

Essas imagens são de oito pontos quânticos diferentes com diferentes comprimentos de onda ressonantes que aumentam monotonicamente da esquerda para a direita. O padrão de um disco de área central com anéis circundantes é a imagem típica de um ponto quântico. Os raios dos anéis e do disco variam devido à interdependência dos comprimentos de onda e ângulos de emissão dos modos de cavidade.

Geralmente, indivíduos novos neste método terão dificuldade com a luz do laser no guia de onda da amostra porque o alinhamento é muito sensível e o elemento de custo deve ser feito à temperatura ambiente. Uma vez que os componentes experimentais são preparados, o alinhamento pode ser feito em algumas horas se for executado corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante monitorar as franjas de interferência para posicionar corretamente os lasers de excitação e a imagem de alta qualidade da superfície da amostra é fundamental para permitir o alinhamento dos caminhos de excitação e detecção.

Seguindo este procedimento, o caminho de detecção pode ser modificado para incluir outros elementos, como um analisador de polarização ou um interferômetro de Fabry-Perot ajustável. Essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo da óptica quântica de estado sólido explorarem fenômenos ressonantes em estruturas de dimensão zero, como pontos quânticos. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como obter a excitação ressonante de um ponto quântico e a detecção simultânea de fluorescência usando os modos de excitação e detecção ortogonais.