फोटोनिक नैनोस्ट्रक्चर का स्पेक्ट्रल और एंगल-हल मैग्नेटो-ऑप्टिकल लक्षण वर्णन

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Summary

फोटोनिक बैंड संरचना यह समझने में सक्षम बनाती है कि फोटोनिक क्रिस्टल के भीतर विद्युत चुम्बकीय मोड कैसे प्रचारित होते हैं। चुंबकीय तत्वों को शामिल करने वाले फोटोनिक क्रिस्टल में, ऐसे सीमित और सुनाई देने वाले ऑप्टिकल मोड में बढ़ाया और संशोधित मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि होती है। हम फोरियर स्पेस माइक्रोस्कोपी द्वारा मैग्नेटो-ऑप्टिकल बैंड संरचना निकालने के लिए एक माप प्रक्रिया का वर्णन करते हैं।

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Kataja, M., Cichelero, R., Herranz, G. Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures. J. Vis. Exp. (153), e60094, doi:10.3791/60094 (2019).

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Abstract

फोटोनिक क्रिस्टल आवधिक नैनोस्ट्रक्चर हैं जो विभिन्न प्रकार के सीमित विद्युत चुम्बकीय मोड का समर्थन कर सकते हैं। इस तरह के सीमित मोड आमतौर पर बिजली के क्षेत्र की तीव्रता की स्थानीय वृद्धि के साथ होते हैं जो प्रकाश-पदार्थ बातचीत को मजबूत करते हैं, सतह-बढ़ाया रमन बिखरने (एसईआर) और सतह प्लाज्मोन जैसे अनुप्रयोगों को सक्षम करते हैं। मैग्नेटो-ऑप्टिकलरूप से सक्रिय सामग्रियों की उपस्थिति में, स्थानीय क्षेत्र वृद्धि असंगत मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि को जन्म देती है। आमतौर पर, किसी दिए गए फोटोनिक क्रिस्टल के सीमित मोड घटना विद्युत चुम्बकीय विकिरण के तरंगदैर्ध्य और घटना कोण पर दृढ़ता से निर्भर करते हैं। इस प्रकार, क्रिस्टल की मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि के साथ अपने संबंध स्थापित करने के साथ-साथ उन्हें पूरी तरह से पहचानने के लिए स्पेक्ट्रल और कोणीय-संकल्पित मापन की आवश्यकता होती है। इस लेख में, हम मैग्नेटो-ऑप्टिकलरूप से सक्रिय नमूनों की विशेषता के लिए फोरियर-प्लेन (बैक फोकल प्लेन) माइक्रोस्कोप का उपयोग करने का वर्णन करते हैं। एक मॉडल प्रणाली के रूप में, यहां हम मैग्नेटो-ऑप्टिकली सक्रिय Au/Co/Au मल्टीलेयर से निर्मित एक प्लाज्मोनिक झंझरी का उपयोग करते हैं । प्रयोगों में, हम सीटू में झंझरी पर एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं और इसकी पारस्परिक अंतरिक्ष प्रतिक्रिया को मापते हैं, तरंगदैर्ध्य और घटना कोणों की एक श्रृंखला पर झंझरी की मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया प्राप्त करते हैं। यह जानकारी हमें झंझरी और कोण और तरंगदैर्ध्य निर्भर मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि की प्लाज्मोनिक बैंड संरचना का एक पूरा नक्शा बनाने में सक्षम बनाती है। ये दो छवियां हमें उस प्रभाव को इंगित करने की अनुमति देती हैं जो प्लाज्मोन अनुनाद ों में ग्रेटिंग की मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया पर है। मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभावों के अपेक्षाकृत छोटे परिमाण को अधिग्रहीत ऑप्टिकल संकेतों के सावधानीपूर्वक उपचार की आवश्यकता होती है। इस उद्देश्य के लिए, अधिग्रहीत कच्चे डेटा से मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए एक छवि प्रसंस्करण प्रोटोकॉल निर्धारित किया गया है।

Introduction

फोटोनिक क्रिस्टल में सीमित विद्युत चुम्बकीय मोड विभिन्न मूलों की एक किस्म से उत्पन्न हो सकते हैं, जैसे धातु के आसपास प्लाज्मोन प्रतिध्वनियां/डाइइलेक्ट्रिक इंटरफेस या उच्च अपवर्तक सूचकांक डाइइलेक्ट्रिक नैनोस्ट्रक्चर1,2,3में Mie प्रतिध्वनियां, और विशेष रूप से परिभाषित आवृत्तियों4,5पर प्रदर्शित करने के लिए डिजाइन किया जा सकता है । उनकी उपस्थिति फोटोनिक बैंड अंतराल6,7,8, मजबूत फोटॉन स्थानीयकरण9, धीमी रोशनी10 और डिरैक शंकु11जैसी कई आकर्षक घटनाओं को जन्म देती है । फोरियर प्लेन माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी फोटोनिक नैनोस्ट्रक्चर के लक्षण वर्णन के लिए बुनियादी उपकरण हैं क्योंकि वे उनमें होने वाले सीमित मोड के कई आवश्यक गुणों पर कब्जा करने में सक्षम हैं। फोरियर स्पेस माइक्रोस्कोपी में, पारंपरिक वास्तविक विमान इमेजिंग के विपरीत, जानकारी को कोणीय निर्देशांक के कार्य के रूप में प्रस्तुत किया जाता है12,13। इसे वैकल्पिक रूप से बैक फोकल प्लेन (बीएफपी) इमेजिंग के रूप में जाना जाता है क्योंकि नमूने से निकलने वाले प्रकाश का कोणीय अपघटन माइक्रोस्कोप उद्देश्य के बैक फोकल प्लेन से दर्ज किया जाता है। कोणीय स्पेक्ट्रम यानी नमूने का सुदूर क्षेत्र उत्सर्जन पैटर्न इससे निकलने वाली रोशनी की गति(के)से संबंधितहै। विशेष रूप से, यह अपनी इन-प्लेन मोमेंटम (कश्मीरएक्स, केवाई)वितरण14का प्रतिनिधित्व करता है।

मैग्नेटो-ऑप्टिकलरूप से सक्रिय नमूनों में, सीमित फोटोनिक उत्तेजना की उपस्थिति के परिणामस्वरूप मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया15,16,17,18,19में काफी वृद्धि हुई है। मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभाव चुंबकीय क्षेत्र की पारस्परिक ज्यामिति और घटना विद्युत चुम्बकीय विकिरण पर निर्भर करते हैं। लिलपोल्ड ध्रुवीकृत प्रकाश के लिए सबसे अधिक विनो-ऑप्टिकल ज्यामिति का सामना करना पड़ा और उनके नामकरण को चित्रा 1में चित्रित किया गया है। यहां, हम एक सेटअप प्रदर्शित करते हैं जिसका उपयोग दो मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभावों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है जो प्रतिबिंब में देखे जाते हैं: ट्रांसवर्स और देश्युद्यमैग्नेटल मैग्नेटो-ऑप्टिकल केर प्रभाव, क्रमशः संक्षिप्त, TMOKE और LMOKE के रूप में। TMOKE एक तीव्रता प्रभाव है, जहां विरोधी चुंबकत्व राज्यों की परावर्तन अलग हैं, जबकि LMOKE परिलक्षित प्रकाश ध्रुवीकरण धुरी के रोटेशन के रूप में प्रकट होता है । प्रभाव प्रकाश घटना के संबंध में चुंबकीकरण के अभिविन्यास से प्रतिष्ठित हैं, जहां LMOKE के लिए, चुंबकीकरण प्रकाश की तरंग वेक्टर के विमान घटक के समानांतर उन्मुख है, जबकि TMOKE के लिए यह इसके लिए ट्रांसवर्स है। सामान्य रूप से घटना प्रकाश के लिए, प्रकाश की गति के दोनों इन-प्लेन घटक शून्य हैं (कश्मीरएक्स = ky = 0) और नतीजतन, दोनों प्रभाव शून्य हैं। विन्यास जहां दोनों प्रभाव मौजूद हैं, आसानी से कल्पना की जा सकती है। हालांकि, डेटा विश्लेषण को सरल बनाने के लिए, इस प्रदर्शन में हम अपने आप को उन स्थितियों तक सीमित करते हैं जहां केवल एक प्रभाव मौजूद है, अर्थात् TMOKE।

मैग्नेटोफोटोनिक क्रिस्टल से उत्सर्जित प्रकाश के कोणीय वितरण को मापने के लिए कई ऑप्टिकल विन्यास का उपयोग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, कल्श एट अल20 और बोरोवकोवा एट अल21में, इस तरह के सेटअप का सफलतापूर्वक उपयोग ट्रांसमिशन ज्यामिति में मैग्नेटो-ऑप्टिकल घटनाओं पर प्लाज्मोन प्रभाव का अनावरण करने के लिए किया गया था। एक उदाहरण के रूप में, कुर्विट्स एट अल22में, कुछ संभावित विन्यास एक माइक्रोस्कोप के लिए प्रस्तुत किए जाते हैं जो अनंत सही उद्देश्य लेंस का उपयोग करता है। हमारे विन्यास में, चित्रा 2में चित्रित, हम एक अनंत सही लेंस का उपयोग करते हैं जहां नमूने में किसी दिए गए बिंदु से आने वाली रोशनी को ऑब्जेक्टिव लेंस द्वारा कोलिपास बीम में निर्देशित किया जाता है। चित्रा 2में, ऊपर (धराशायी रेखाओं) से उभरते बीम और नमूने के नीचे (ठोस लाइनें) को योजनाबद्ध ढंग से चित्रित किया गया है। फिर, छवि विमान (आईपी) में एक छवि बनाने के लिए इन बीम को फिर से केंद्रित करने के लिए एक संग्रहलेंस का उपयोग किया जाता है। एक दूसरा लेंस, जिसे बर्ट्रेंड लेंस के नाम से भी जाना जाता है, को अपने फोकल प्लेन में आने वाले प्रकाश को कोणीय घटकों में अलग करने के लिए छवि विमान के बाद रखा जाता है, जिसे लाल, नीले और काले रंग में चित्रित चित्रा 2 में चित्रित किया गया है। इस बैक फोकल प्लेन से, नमूने से उत्सर्जित प्रकाश के कोणीय वितरण को कैमरे से मापा जा सकता है। प्रभावी ढंग से, बर्ट्रेंड लेंस उस पर पहुंचने वाली प्रकाश बीम पर एक फोरियर ट्रांसफॉर्म करता है। बीएफपी में स्थानिक तीव्रता वितरण घटना विकिरण के कोणीय वितरण से मेल खाती है। नमूने की प्रतिक्रिया एकत्र करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उसी उद्देश्य के साथ नमूने को रोशन करके नमूने का एक पूर्ण पारस्परिक स्थान परावर्तन मानचित्र स्थापित किया जा सकता है। आने वाले और बाहर जा रहे मुस्कराते हुए एक बीम स्प्लिटर का उपयोग कर अलग कर रहे हैं । पूरा सेटअप चित्रा 3ए में चित्रित किया गया है। स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के लिए, एक tunable प्रकाश स्रोत या एक मोनोक्रोमेटर की आवश्यकता होती है। माप तो विभिन्न तरंगदैर्ध्य पर दोहराया जा सकता है, ध्यान में रखते हुए कि मानक प्रकाश स्रोतों के स्पेक्ट्रम के कारण, परिणाम एक नियंत्रण नमूने की परावर्तन के लिए सामान्यीकृत करने की जरूरत है। इस उद्देश्य के लिए, कोई भी दर्पण या नमूने के एक हिस्से का उपयोग कर सकता है जिसे उच्च परावर्त्वके लिए अनुमति देने के लिए उद्देश्यपूर्ण रूप से अपैटर्न छोड़ दिया गया है। पोजिशनिंग में सहायता करने के लिए, हम दिखाते हैं कि सेटअप को एक अतिरिक्त ऑप्टिकल सिस्टम के साथ कैसे एकीकृत किया जाए जो चित्रा 2बीमें दिखाए गए नमूने की वास्तविक-अंतरिक्ष इमेजिंग को सक्षम बनाता है।

अब हम एक फोटोनिक क्रिस्टल के कोणीय हल मैग्नेटो ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम को मापने के लिए एक विधि स्थापित करने के लिए आगे बढ़ना, एक प्रतिनिधि नमूने के रूप में उपयोग कर, एक डीवीडी एक Au/Co/Au फिल्म के साथ कवर झंझरी जहां फेरोमैग्नेटिक कोबाल्ट की उपस्थिति काफी मैग्नेटो ऑप्टिकल गतिविधि23को जंम देता है । डीवीडी झंझरी का आवधिक नाली सतह प्लाज्मोन पोलरिटन (SPP) अलग तरंगदैर्ध्य कोण संयोजन है कि द्वारा दिए गए है पर प्रतिध्वनित सक्षम बनाता है
Equation 1
जहां एन आसपास के वातावरण का अपवर्तक सूचकांक है, कश्मीर0 मुक्त अंतरिक्ष में प्रकाश की तरंग वेक्टर,0 घटना कोण, डी झंझरी और एम की आवक एक पूर्णांक है जो एसडीपी के आदेश को निरूपित करता है। SPP वेव वेक्टर Equation 2 जहां ε1 और ε2 धातु परत और आसपास के डाइइलेक्ट्रिक वातावरण की अनुमति है द्वारा दिया जाता है । गोल्ड/कोबाल्ट मल्टीलेयर फिल्म की मोटाई के कारण हम मान सकते हैं कि एसपीपीएस केवल मल्टीलेयर फिल्म के शीर्ष पर उत्साहित हैं ।

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Protocol

1. सेटअप बढ़ते

  1. प्रकाशिकी
    नोट: पर्याप्त कंपन अलगाव के साथ एक ऑप्टिकल टेबल पर चित्रा 3 में चित्रित सेटअप का निर्माण करें। गोलाकार और अन्य विपथनों से बचने के लिए, बीम के संबंध में सभी ऑप्टिकल घटकों (लेंस, पिनहोल आदि) को केंद्र में रखें। ऑप्टिकल व्यवस्था को दर्शाए गए घटकों के बीच की दूरियों के साथ चित्रा 2 में दिखाया गया है।
    1. एक मोनोक्रोमेटिक लाइट बीम प्राप्त करने के लिए सफेद प्रकाश स्रोत से मोनोक्रोमेटर तक प्रकाश का मार्गदर्शन करें। इस काम में उपयोग किए जाने वाले सेटअप के विवरण के लिए सामग्री की तालिका देखें। मोनोक्रोमेटर को तरंगदैर्ध्य में सेट करें जिसमें अच्छी तीव्रता और दृश्यता हो, जैसे, 550 एनएम। स्पेक्ट्रम के दृश्यमान हिस्से से तरंगदैर्ध्य ऑप्टिकल तत्वों को स्थान देना आसान बनाता है।
    2. एक युग्मन लेंस का उपयोग करना, एक फाइबर के लिए प्रकाश जोड़े और फाइबर समाप्ति पर एक उद्देश्य के साथ यह कोलिमेट । उपयोग किए गए प्रकाश स्रोत के आधार पर, इस चरण को छोड़ा जा सकता है।
    3. बीम को ध्रुवीकरण करने के लिए कॉलिमेटिंग लेंस से एक पोलानाइजर 250 मिमी रखें और माइक्रोस्कोप ऑब्जेक्टिव लेंस के लिए प्रकाश का मार्गदर्शन करने के लिए पोलार्जर से 100 मिमी बीम स्प्लिटर रखें।
      नोट: कोलिमेटेड बीम के कारण, उपर्युक्त घटकों की इंगित स्थिति माप सेटअप के प्रकाशिकी को प्रभावित नहीं करती है और केवल मार्गदर्शन के लिए दी जाती है।
    4. एक्स-वाई-जेड अनुवाद चरण और एक रोटेशन चरण से लैस नमूना धारक पर नमूना रखें जो जेड-एक्सिस के चारों ओर 360 डिग्री नमूना रोटेशन को सक्षम बनाता है, यानी, नमूने पर अतिक्रमण करने वाली प्रकाश की धुरी।
    5. एक अनुवाद चरण है कि तीन दिशाओं में आंदोलन सक्षम बनाता है पर उद्देश्य लेंस माउंट। इनमें से सबसे महत्वपूर्ण जेड-एक्सिस है जो नमूने पर ध्यान केंद्रित करने के लिए आवश्यक है।
      नोट: नमूना अनुवाद के लिए आवश्यक उपकरण उपयोग किए गए नमूनों पर निर्भर करता है। बड़े, समरूप नमूनों को मैन्युअल रूप से तैनात किया जा सकता है जबकि छोटे उपयोगी क्षेत्र वाले नमूनों को अधिक सावधान स्थिति की आवश्यकता होगी, खासकर छवि वाले क्षेत्र को सीमित करने के लिए पिनहोल का उपयोग करते समय (चरण 1.1.7.)। नमूने से उभरने वाली बीम की प्रकाशिकी को चित्रा 2 में योजनाबद्ध ढंग से चित्रित किया गया है। अनंत सही उद्देश्य लेंस नमूना के प्रत्येक बिंदु से कोलिपास बीम में उभरते तरंग मोर्चों को निर्देशित करता है।
    6. छवि विमान में एक छवि बनाने के लिए बीम को फिर से केंद्रित करने के उद्देश्य से एफ = 200 मिमी (ट्यूब लेंस), 330 मिमी के साथ एक कलेक्टर लेंस रखें। सैंपल से निकलने वाली लाइट के कोलीपास प्रचार-प्रसार के कारण कलेक्टर लैंस को ऑब्जेक्टिव लेंस से किसी भी दूरी पर रखा जा सकता है।
      नोट: पहले की तरह, उद्देश्य लेंस से उभरने वाली रोशनी को मिलान किया जाता है। हालांकि बीम स्प्लिटर के बाद ट्यूब लेंस रखना चाहिए।
    7. इमेजड क्षेत्र को नमूनों वाले क्षेत्र तक सीमित करने के लिए कलेक्टर लेंस से 200 मिमी पर छवि विमान में एक पिनहोल रखें। बीम के केंद्र में पिनहोल रखें। यदि पिनहोल का उपयोग कर रहे हैं, तो इसे रखने के लिए नमूने की वास्तविक अंतरिक्ष छवि का उपयोग करें। नमूनों के लिए जहां नमूनों क्षेत्र प्रकाश बीम से प्रबुद्ध क्षेत्र से बड़ा है, यह आवश्यक नहीं है ।
    8. छवि के कोणीय घटकों का फोरियर ट्रांसफॉर्म बनाने के लिए छवि विमान के बाद 120 मिमी एफ = 75 मिमी (बर्ट्रेंड लेंस) के साथ दूसरा लेंस रखें। ट्रांसफॉर्म दूसरे लेंस के फोकस में बनाया गया है और एक वैज्ञानिक एससीएमओएस कैमरे के साथ इमेज्ड है जिसे बर्ट्रेंड लेंस से 75 मिमी रखा गया है।
    9. केवल LMOKE माप के लिए, बीम स्प्लिटर और कलेक्टर लेंस के बीच पहले पोलालाइजर के संबंध में एक कोण के साथ एक अतिरिक्त पोलालाइजर डालें।
  2. चुंबक
    1. चुंबक को बिजली की आपूर्ति से जोड़ें और इसे माउंट करें ताकि चुंबकीय क्षेत्र को नमूने पर लागू किया जा सके। चुनें कि चुंबकीय क्षेत्र देशाें, ट्रांसवर्सल या ध्रुवीय दिशा(चित्रा 1)में लागू किया जाता है या नहीं।
  3. नमूना तैयारकरना
    1. यांत्रिक रूप से एक वाणिज्यिक डीवीडी डिस्क को नष्ट करें; बाद में उजागर झंझरी सतह को आसानी से इसकी विसक्रिय मर्यादाओं के कारण पहचाना जा सकता है। पिछले कोटिंग्स छील करने के लिए एक चिपकने वाला टेप का प्रयोग करें। सतह को साफ करें, इसे 10 मिन के लिए इथेनॉल में भिगो दें। झंझरी अब मैग्नेटो-प्लाज्मोनिक कोटिंग प्राप्त करने के लिए तैयार है।
      नोट: ब्लू-रे और सीडी के रूप में विभिन्न वाणिज्यिक ऑप्टिकल डिस्क, एक अलग तैयारी प्रोटोकॉल की आवश्यकता हो सकती है।
    2. इलेक्ट्रॉन-बीम वाष्पीकरण द्वारा उजागर झंझरी पर धातु फिल्म जमा करें। कम खुरदरापन सुनिश्चित करने के लिए, वाष्पीकरण दरों का उपयोग 5 Å/s से छोटा है ।
    3. 4 एनएम सीआर चिपकने वाली परत के साथ शुरू, बारी सोने और कोबाल्ट परतों को जमा करें, ऑक्सीकरण से सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए सोने की कैपिंग परत के साथ खत्म करें।
      नोट: हम परतों और मोटाई की निम्नलिखित संख्या का इस्तेमाल किया: सीआर (4 एनएम)/Au (16 एनएम)/[Co (14 एनएम)/Au (16 एनएम),] × 4/co (14 एनएम)/Au (7 एनएम) ।
    4. एकरूपता और कम दोषों के मामले में नमूना सतह की स्थिति को सत्यापित करने के लिए ऑप्टिकल या इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी(चित्रा 4ए)प्रदर्शन करें माप के साथ आगे बढ़ें।

2. माप प्रक्रिया

  1. नमूना स्थिति
    नोट: एक उदाहरण के नमूने के रूप में, हम एक डीवीडी मैग्नेटोप्लाज्मोनिक Au/Co/Au फिल्म के साथ कवर झंझरी उपाय होगा । झंझरी के आवधिक नाली के कारण, एसपीपी तरंग सामने तरंगदैर्ध्य के आधार पर घटना के कुछ कोणों पर उत्साहित किया जा सकता है।
    1. चांदी के पेंट की एक छोटी सी बूंद का उपयोग कर नमूना धारक पर नमूना माउंट। चांदी के पेंट को 10 मिन के लिए सूखने दें।
    2. नमूने की वास्तविक अंतरिक्ष इमेजिंग को सक्षम करने के लिए छवि विमान के बाद एक फ्लिप मिरर डालें। एफ = 125 मिमी के साथ एक लेंस L1 डालें ताकि छवि विमान ध्यान में है और L1 से 135 मिमी दूरी पर एफ = 250 मिमी के साथ L2 जगह है।
    3. अंत में छवि विमान की एक बढ़ाया छवि पर कब्जा करने के लिए L2 से एक चार्ज युग्मित डिवाइस (सीसीडी) कैमरा 210 मिमी जगह है। सीसीडी कैमरे पर अच्छे फोकस में इमेज प्लेन में रखे गए पिनहोल तक लेंस L1 और L2 को मूव करें ।
    4. जब तक नमूना सीसीडी कैमरे में अच्छा ध्यान में न हो जाए तब तक ऑब्जेक्टिव लेंस को नमूने की ओर ले जाएं।
  2. ऑप्टिकल परावर्तन माप
    1. नमूने की वास्तविक अंतरिक्ष छवि का उपयोग करके, नमूने के चिंतनशील (अपैटर्न) हिस्से पर प्रकाश स्थान की स्थिति। माइक्रोस्कोप के बीएफपी को देखने के लिए फ्लिप मिरर को फ्लिप करें।
      नोट: यहां, डीवीडी झंझरी के लिए हम डीवीडी डिस्क के किनारे पर निरंतर धातु फिल्म का उपयोग करें ।
    2. वांछित ध्रुवीकरण राज्य से मेल खाती है कि वापस फोकल विमान के क्षेत्र का चयन करें। ध्रुवीकरण और बैक फोकल प्लेन में स्थिति के बीच संबंध चित्रा 3बीमें दिखाया गया है । टीएम-ध्रुवीकरण से मेल खाती धुरी के साथ उद्देश्य बैक फोकल प्लेन (फिगर 3सीमें ब्लू आयत) के आयताकार क्रॉस सेक्शन के रूप में ब्याज के क्षेत्र (एओआई) का चयन करें।
      नोट: इस पांडुलिपि में उपयोग किए जाने वाले इंस्ट्रूमेंटेशन सॉफ्टवेयर में, यह कर्सर चयनकर्ताओं का उपयोग करके एओआई का चयन करके हासिल किया जाता है। सॉफ्टवेयर तो आयत के छोटे आयाम के साथ तीव्रता औसत और डेटा की एक 1डी सरणी के रूप में जिसके परिणामस्वरूप स्पेक्ट्रम व्यवहार करता है, जहां प्रत्येक डेटा बिंदु नमूने के एक अलग उत्सर्जन कोण से मेल खाती है । प्लाज्मोनिक झंझरी में, केवल टीएम-ध्रुवीकृत प्रकाश, यानी, झंझरी खांचे के लिए लंबवत बिजली के क्षेत्र के साथ ईएम विकिरण, प्लाज्मोन अनुनादों को उत्तेजित कर सकते हैं। इस प्रकार, झंझरी अभिविन्यास के आधार पर, बीएफपी के ऊर्ध्वाधर या क्षैतिज टुकड़ा चुनकर सही ध्रुवीकरण राज्य का चयन करना आवश्यक है।
    3. मापसामान्यीकरण स्पेक्ट्रमपर क्लिक करके प्रकाश स्रोत के स्पेक्ट्रम को मापें, जिसका उपयोग बाद में मापा गया परावर्तन डेटा को सामान्य करने के लिए किया जाएगा। चूंकि प्रत्येक तरंगदैर्ध्य डेटा बिंदुओं का 1D सेट पैदा करता है, प्रकाश स्रोत का पूरा स्पेक्ट्रम 2डी टेन्सर के रूप में सहेजा जाता है जहां प्रत्येक डेटा बिंदु तरंगदैर्ध्य और कोण के संयोजन का प्रतिनिधित्व करता है।
    4. फिर से नमूना की वास्तविक अंतरिक्ष छवि का उपयोग करना, ब्याज के फोटोनिक क्रिस्टल पर प्रकाश स्रोत की स्थिति। बीएफपी पर वापस स्विच करते समय, सुनिश्चित करें कि प्लाज्मोन मोड पीछे के फोकल विमान को पार करने वाली अंधेरी लाइनों के रूप में दिखाई देते हैं। घटना प्रकाश की तरंगदैर्ध्य में बदलाव के रूप में लाइनें चलती हैं।
    5. एक ही एओआई और माप सेटिंग्स (यानी, एक्सपोजर समय, औसत की संख्या) का उपयोग करना, माप प्रतिबिंब स्पेक्ट्रमपर क्लिक करके फोटोनिक क्रिस्टल के प्रतिबिंब स्पेक्ट्रम को मापें।
    6. प्रकाश स्रोत तीव्रता में स्पेक्ट्रल भिन्नता का हिसाब करने के लिए, प्रकाश स्रोत के स्पेक्ट्रम द्वारा प्राप्त स्पेक्ट्रम को सामान्य करें। यह 0 से 1 तक संख्याओं की एक 2D सरणी निकलेगा जहां 1 पूरी तरह से चिंतनशील और 0 से पूरी तरह अवशोषण स्थितियों से मेल खाती है।
  3. मैग्नेटो-ऑप्टिकल माप
    1. एक कोण और तरंगदैर्ध्य का उपयोग करके एक हिस्टेरेसिस लूप को मापने के द्वारा मैग्नेटो-ऑप्टिकल माप शुरू करें जो एक अच्छे मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया के अनुरूप ज्ञात हैं, आमतौर पर इन स्थितियों को एसपीपी उत्तेजना के करीब पाया जा सकता है। ऐसा करने के लिए, SPP उत्तेजना के पास एक छोटा सा AOI चुनें और एक पाश को मापने।
      नोट: मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि की मात्रा निर्धारित करने के लिए आवश्यक डेटा विश्लेषण चुंबकत्व के प्रकार पर निर्भर करता है जो नमूना प्रदर्शित करता है। यहां, हम एक फेरोमैग्नेटिक प्रतिक्रिया मान लेते हैं और तदनुसार परिणामों का इलाज करते हैं। व्यास या पैरामैग्नेटिक प्रतिक्रिया अनिवार्य रूप से लागू चुंबकीय क्षेत्र के लिए रैखिक है और लागू चुंबकीय क्षेत्र इकाई प्रति ऑप्टिकल गुणों में परिवर्तन के रूप में मात्रा निर्धारित किया जा सकता है । फेरोमैग्नेटिक सामग्री एक गैर-रैखिक अनुअनुमति प्रदर्शित करती है जिसमें मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया को परिभाषित करते समय अतिरिक्त विचार की आवश्यकता होती है (चित्रा 3डीदेखें)। TMOKE को लागू चुंबकीय क्षेत्र के कार्य के रूप में परिलक्षित तीव्रता में Equation 2 परिवर्तन के रूप में परिभाषित किया गया है, यानी, जहां मैं (एम) चुंबकत्व राज्य एम में नमूने से परिलक्षित तीव्रता है।
    2. 2.3.1 में मापा हिस्टीरेस लूप का उपयोग करना, लूप करने के लिए चुंबकीय क्षेत्रों की सीमा चुनें। फेरोमैग्नेटिक नमूनों के लिए, एक पूरी तरह से संतृप्त राज्य से खेतों को विपरीत संतृप्त स्थिति में लूप करें, संतृप्ति क्षेत्र पर आराम से सीमा का विस्तार करें। बाद में, संतृप्त राज्य में मापा अंक का उपयोग करने के लिए विश्लेषण और किसी भी व्यास या पैरामैग्नेटिक योगदान है कि उनके रैखिक योगदान द्वारा सत्यापित किया जा सकता है हटा दें ।
    3. अंत में, प्रत्येक चुंबकीय क्षेत्र बिंदु पर नमूने द्वारा परिलक्षित तीव्रता को मापने के लिए परिभाषित किया गया है, यदि वांछित हो तो कई छोरों पर दोहराना। प्रत्येक तरंगदैर्ध्य और चुंबककरण बिंदु संख्यात्मक डेटा (यानी, मापा प्रकाश तीव्रता) की एक 1D सरणी उपज जहां सरणी का प्रत्येक बिंदु एक विशेष कोण से मेल खाता है।

3. डेटा विश्लेषण

  1. चरण 2.3.1 पर मापा नमूना के उन्माद पाश का उपयोग करना, प्रत्येक फ्रेम चरण 2.3.3 पर मापा आवंटित करें। संतृप्त राज्यों में से या मध्यवर्ती राज्य(चित्रा 3सी)के लिए ।
  2. मध्यवर्ती फ्रेम को त्यागें और मापा तीव्रता से मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि की गणना करें, Equation 2 जहां प्रत्येक कोणीय और तरंगदैर्ध्य डेटा बिंदु के लिए संचालन अलग-अलग किए जाते हैं।
    नोट: जैसा कि TMOKE एक सापेक्ष तीव्रता परिवर्तन के रूप में व्यक्त किया जाता है, परिणामों को दीपक स्पेक्ट्रम को सामान्यीकृत करने की आवश्यकता नहीं है।
  3. यदि नमूना बड़े पैरामैग्नेटिक (या अधिक शायद ही कभी, डायमैग्नेटिक) गतिविधि प्रस्तुत करता है जिसे संतृप्त चुंबकीय राज्यों के बीच विश्वसनीय तुलना के लिए घटाया जाना चाहिए, तो पैरा-या डायमैग्नेटिक गतिविधि से उत्पन्न रैखिक योगदान को एक फिटिंग द्वारा घटाना संतृप्ति पर मापा अंक पर लाइन (फिर से, पिक्सेलवाइज अलग से प्रत्येक कोण और तरंगदैर्ध्य बिंदु के लिए) और रैखिक योगदान को हटा दें।

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Representative Results

चित्रा 4 एक वाणिज्यिक डीवीडी के एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) माइक्रोग्राफ Au/Co/Au मल्टीलेयर है कि हमारे प्रयोगों में एक प्रदर्शन नमूना इस्तेमाल किया गया था के साथ कवर से पता चलता है । इसका ऑप्टिकल और मैग्नेटो-ऑप्टिकल स्पेक्ट्रा क्रमशः फिगर 4बी, सी में दिखाया गया है। नमूना निर्माण के बारे में विवरण कहीं और प्रस्तुत किए जाते हैं23चित्रा 4ए, बी में काली रेखाएं समीकरण 1 से गणना किए गए प्लाज्मोन फैलाव संबंधों को दिखाती हैं। Au/Co/Au मल्टीलेयर की अनुमति सिचेलेरो एट अल में अनुपूरक डेटा फ़ाइल 1 से ली जाती है जहां एक समान बहुस्तरीय स्पेक्ट्रोस्कोपिक एलिप्सोम्री का उपयोग करमापा गया था । झंझरी की आवक 740 एनएम माना जाता है। गणना फैलाव लाइनें चित्रा 4 में परावर्तन में एक विशिष्ट डुबकी के अनुरूप हैं जो घटना विकिरण से एसपीपी में परिवर्तित होने और ओमी डैम्पिंग के माध्यम से नष्ट होने से परिणाम देती है।

बैक फोकल प्लेन(चित्रा 3सी)और उत्सर्जन के कोण में पिक्सेल पदों के बीच संबंध इस प्रकार स्थापित किया जा सकता है: अधिकतम कोणअधिकतम जिस पर उद्देश्य प्रकाश को स्वीकार कर सकता है वह फार्मूला द्वारा दिया जाता है और आसपास के माध्यम (हवा, एन = 1) के संख्यात्मक अपर्चर एनए = 0.8 और रिफ्एक्टिव इंडेक्स पर निर्भर करता है। यह कोण है जो फोरियर विमान के प्रबुद्ध क्षेत्र की चरम सीमाओं से मेल खाती है। उन दोनों के बीच पिक्सल से एक रैखिक तरीके से एक नंबर सौंपा जा सकताहै-एनए से +एनए कि उनकी स्थिति पर संख्यात्मक एपर्चर को दर्शाता है और उनके इसी कोण तो इस संख्या के उलट ा साइन द्वारा दिया जाता है (यदि आवश्यक हो तो एन द्वारा विभाजित) ।

चित्रा 4सी प्लाज्मोनिक झंझरी के मैग्नेटो-ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम को दर्शाया गया है। यहां, प्लाज्मोन लाइनों मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि में वृद्धि के साथ हैं जो अचानक पीपी पर उलट जाता है। लाइन आकार को इस तथ्य से समझाया जा सकता है कि चुंबकीकरण एसपीपी उत्तेजना की स्थिति को थोड़ा बदलता है, इस प्रकार विपरीत चुंबककरण राज्यों के लिए दो अलग-अलग एसपीपी होते हैं। जब दो थोड़ा विस्थापित राज्यों की परावर्तन एक दूसरे से घटाया जाता है, तो एक विशेषता व्युत्पन्न रेखा का आकार15,16,17प्राप्त किया जाता है । प्लाज्मोन की प्लाज्मोन लाइनविड्थ के साथ - साथ परिणामस्वरूप मैग्नेटो-ऑप्टिकल स्पेक्ट्रा धातु मल्टीलेयर25,26के भौतिक मापदंडों पर दृढ़ता से निर्भर करता है।

हम ध्यान दें कि झंझरी की ज्यामिति के कारण, चुंबकीय आसान धुरी झंझरी के साथ ही उन्मुख है और इस विमान से इसे संतृप्त करने के लिए बहुत बड़े चुंबकीय क्षेत्रों की आवश्यकता होती है, इस कारण से एलएमओके माप इस विशेष नमूने के साथ व्यवहार्य नहीं हैं।

Figure 1
चित्रा 1: विभिन्न ज्यामिति जहां मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभाव देखे जा सकते हैं।
ध्रुवीय(ए),देशांतिन(बी)और ट्रांसवर्स(सी)मैग्नेटो-ऑप्टिकल केर प्रभाव प्रतिबिंब में देखे जाते हैं जबकि फैराडे(डी)और Voigt(ई)प्रभाव चुंबकीय माध्यम के माध्यम से संचरण में होते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: ऑप्टिकल सेटअप।
(A)फोरियर प्लेन माइक्रोस्कोपिक सेटअप में प्रकाश प्रचार का योजनाबद्ध चित्रण । अलग कोणीय घटक (लाल, काले और नीले रंग की किरणों के साथ चित्रित) स्थानिक रूप से पीछे के फोकल विमान में अलग किए जाते हैं। (ख)वास्तविक अंतरिक्ष माइक्रोस्कोप में प्रकाश प्रचार का योजनाबद्ध चित्रण। लेंस L1 और L2 एक दूरबीन है कि कैमरे के लिए छवि विमान में छवियों के रूप में । ऑप्टिकल टेबल पर घटकों के बीच की दूरियों को प्रत्येक सेटअप के नीचे हाइलाइट किया जाता है। लाल संख्या से संकेत मिलता है कि दूरी छवि गठन के लिए महत्वपूर्ण है। दूरियां मिलीमीटर में हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: फोरियर स्पेस माइक्रोस्कोप और माप।
(क)फोरियर स्पेस माइक्रोस्कोप के घटक। (ख)उद्देश्य द्वारा केंद्रित प्रकाश के ध्रुवीकरण राज्यों का योजनाबद्ध चित्रण । घटना liल (एक्स दिशा के साथ) ध्रुवीकृत प्रकाश दोनों TE के रूप में नमूने पर अतिक्रमण-और टीएम-ध्रुवीकृत उद्देश्य के हिस्से के आधार पर जहां किरण निकलती है । (ग)डीवीडी झंझरी को मापते समय माइक्रोस्कोप के पीछे के फोकल प्लेन में तीव्रता = 600 एनएम। काले अवशोषण लाइनों SPP प्रतिध्वनियों कि यह भी चित्रा 4बी, सीमें दिखाई दे रहे है संकेत मिलता है । AOI नीले आयत के रूप में टीएम के जवाब को मापने के लिए चुना जा सकता है ध्रुवीकृत प्रकाश या टीई ध्रुवीकृत के लिए लाल । (घ)एप्लाइड मैग्नेटिक फील्ड्स के लिए ठेठ nonlinear प्रतिक्रिया का प्रदर्शन करने वाली फेरोमैग्नेटिक सामग्री का योजनाबद्ध हिस्टीरेसिस लूप । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: एक डीवीडी झंझरी नमूने पर माप।
(A)एयू/को/एयू मल्टीलेयर से ढकी वाणिज्यिक डीवीडी झंझरी का एसईएम माइक्रोग्राफ । कोणीय संकल्प परावर्तन(बी)और मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि मानचित्र(सी)डीवीडी झंझरी के 740 एनएम की आवधिकता के साथ। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

हमने ऑप्टिकल क्रिस्टल के कोणीय संकल्प मैग्नेटो-ऑप्टिकल स्पेक्ट्रा प्राप्त करने के लिए एक माप सेटअप और प्रोटोकॉल पेश किया है। विशेष रूप से, फेरोमैग्नेटिक सामग्री का मामला, जिसके लिए सामग्री की nonlinear पारगम्यता के लिए अतिरिक्त डेटा विश्लेषण की आवश्यकता होती है, निर्धारित की गई है। कोणीय संकल्प मैग्नेटो-ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी गैर-कोणीय हल विधियों पर एक अतिरिक्त लाभ प्रस्तुत करता है कि सीमित मोड को अधिक आसानी से पहचाना जा सकता है क्योंकि वे ऑप्टिकल और मैग्नेटो-ऑप्टिकल स्पेक्ट्रा दोनों में स्पष्ट रूप से परिभाषित बैंड के रूप में दिखाई देते हैं। हम यहां जो दृष्टिकोण दिखाते हैं, उसे विभिन्न प्रकार के फोटोनिक क्रिस्टल के लिए आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है और यह सतह प्लाज्मोन अनुनादों तक सीमित नहीं है।

तकनीक के लिए सबसे आम संशोधन देशांतर और/या ध्रुवीय Kerr प्रभाव को मापने के लिए अपने अनुकूलन होगा, कि ध्रुवीकरण रोटेशन के बजाय तीव्रता प्रभाव के रूप में प्रकट । ध्रुवीकरण रोटेशन को मापने के लिए, ध्रुवीकरण रोटेशन के आनुपातिक कैमरे में पता लगाने की तीव्रता बनाने के लिए बीम स्प्लिटर और कलेक्टर लेंस के बीच एक अतिरिक्त पोलराइजर रखा जाना चाहिए। मैग्नेटो-ऑप्टिकल सिग्नल27को अधिकतम करने के लिए नमूने पर प्रकाश घटना के ध्रुवीकरण के साथ इस पोलरलाइज़र को 45 डिग्री कोण पर रखा जाना चाहिए।

माप तकनीक में आम नुकसान नमूना के गलत बढ़ते शामिल है ताकि यह स्थानांतरित कर सकते है जब एक चुंबकीय क्षेत्र लागू किया जाता है । इससे नमूना धारक में आयरन जैसी चुंबकीय धातु का उपयोग करके बढ़ सकता है। यहां तक कि छोटे शिकंजा जैसी चुंबकीय धातुओं की भी छोटी मात्रा में आंदोलनों में परिणाम हो सकता है जो मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभाव को पूरी तरह से मुखौटा करते हैं। एक चलती नमूना परिणाम आम तौर पर एक "केले की तरह" गलत हिस्टेरेसिस पाश में । इसलिए, नमूना बढ़ते और यह सुनिश्चित करने में उचित देखभाल की आवश्यकता है कि यह माप से पहले दृढ़ता से लागू हो। नमूने के उचित बढ़ते की पुष्टि करने के लिए, तरंगदैर्ध्य/कोण संयोजन का उपयोग करके हिस्टीरेसिस लूप को मापने की सिफारिश की जाती है जो अच्छे संकेत के परिणामस्वरूप जाना जाता है और इस बात की पुष्टि करने के लिए कि इसका आकार अपेक्षा के अनुसार है और नमूना आंदोलन या अन्य विपथनों से कोई भी कलाकृतियां मौजूद नहीं हैं ।

चूंकि हिस्टेरेसिस लूप के माप को लागू चुंबकीय क्षेत्र की एक श्रृंखला पर लूपिंग की आवश्यकता होती है, इसलिए माप में कुछ समय लगता है। यदि समय के साथ स्रोत की तीव्रता का स्तर स्थिर नहीं है, तो मापा हिस्टीरेसिस छोरों को प्रभावित करने वाले पावर बहाव से बचने के लिए चुंबकीय क्षेत्र को जल्दी लूप किया जाना चाहिए। आमतौर पर, स्रोत शक्ति का स्तर एक हिस्टेरेसिस लूप की तुलना में अधिक धीरे-धीरे बहाव को मापा जा सकता है, जिससे इन परिस्थितियों में भी TMOKE विपरीत को मापना संभव हो जाता है। यदि संकेत शोर है और अधिक औसत की जरूरत है, औसत प्रत्येक चुंबकीय क्षेत्र बिंदु पर फ्रेम की संख्या के बजाय मापा छोरों की संख्या में वृद्धि करके महसूस किया जा सकता है ।

यह तकनीक सीटू में चुंबकीय क्षेत्र को लागू करने पर निर्भर करती है। जबकि फेरोमैग्नेटिक सामग्री आमतौर पर लागू चुंबकीय क्षेत्रों की अनुपस्थिति में अपने चुंबकीकरण की स्थिति को बनाए रखते हैं, मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभावों की छोटी तीव्रता के कारण, चुंबककरण में हेरफेर के लिए नमूने को हटाने के कारण विफलता में परिणाम नमूना को ठीक उसी स्थिति में डालने में कठिनाई, जैसा कि चुंबकत्व उत्क्रमण से पहले था।

हमने यहां जो तरीका पेश किया है, वह संवेदनशील डिटेक्शन इक्विपमेंट और स्थिर प्रकाश स्रोतों पर निर्भर करता है । देशीय भाषा या ध्रुवीय केर विन्यास में मानक मैग्नेटो-ऑप्टिकल केर स्पेक्ट्रोमेट्री में, एक फोटोलास्टिक मॉड्यूलेटर का उपयोग अक्सर सिग्नल-टू-शोर अनुपात को बढ़ाने और27,28से रोटेशन और एलिप्टिसिटी घटकों को अलग करने के लिए किया जाता है। हालांकि, फोटोलास्टिक मॉड्यूलेटर की मॉड्यूलेशन फ्रीक्वेंसी आमतौर पर 50 किलोवाट से अधिक होती है जिससे माइक्रोस्कोप कैमरे के साथ उपयोग करना बहुत मुश्किल हो जाता है। इसलिए, एक Fourier अंतरिक्ष मैग्नेटो ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के लिए सबसे अच्छा संभव संकेत करने वाली शोर अनुपात प्राप्त करने के लिए, अच्छी स्थिरता के साथ कैमरों और प्रकाश स्रोतों में निवेश करना आवश्यक है।

देशीयभाषा और ध्रुवीय मैग्नेटो-ऑप्टिकल मापन में, कैमरे पर प्रकाश घटना की तीव्रता बहुत हद तक पार ध्रुवीकरण के कारण कम हो गया है, जो कैमरे के उपकरण पर अतिरिक्त आवश्यकताओं डालता है के लिए बहुत कमजोर का पता लगाने के लिए आवश्यक संकेत.

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

हम परियोजनाओं MAT2017-85232-R (AEI/FEDER, UE), Severo के माध्यम से स्पेनिश मंत्री डी Economía y Competitividad द्वारा वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं, ओचोआ (सेव-2015-0496) और सीएनपीक्यू - ब्राजील द्वारा जनरलिट डी कैटालून्या (2017, एसजीआरआर 1377) और यूरोपीय मिशन (मैरी स्वोडोस्का-क्यूरी आईएफ जोर - 748429) द्वारा।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Beam splitter Thorlabs BSW27
Bertrand lens Thorlabs LA1608 f = 75 mm
CCD Camera Thorlabs 1500M-GE-TE Camera for real space imaging
Collecting lens Thorlabs ITL200 f = 200 mm
Collimating lens Zeiss 420640-9800 Magnification 10x NA 0.3
Flip mirror Thorlabs CCM1-P01/M
Flip mirror mount Thorlabs FM90/M
L1-lens Thorlabs LA1986 f = 125 mm
L2-lens Thorlabs LA1461 f = 250 mm
Objective lens Nikon MUE10500 Magnification 50x NA 0.8
Pinhole Thorlabs ID8/M
Polarizer Thorlabs GTH10M For LMOKE measurements, two polarizers are needed
sCMOS camera Andor ZYLA-4.2P-USB3

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References

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