Resonans fluorescens af en InGaAs Quantum Dot i en Planar hulrum bruger ortogonale Excitation og påvisning

Resonant excitation af en enkelt quantum emitter kombineret med registrering af fluorescens var en langsigtet eksperimentelle udfordring hovedsagelig på grund af manglende evne til at spektralt diskriminere den svag fluorescens fra stærke excitation spredning. Denne vanskelighed, dog har været med succes overvinde i det sidste årti af to forskellige tilgange: dark-felt Konfokal excitation baseret på polarisering forskelsbehandling^{1,2,3,4 ,5}, og ortogonale excitation-påvisning baseret på fysisk tilstand forskelsbehandling^{6,7,8,9,10,11, 12,13,14}. Begge metoder viser en stærk kapacitet betydeligt undertrykke laser spredning og dermed er almindeligt vedtaget i forskellige eksperimenter, for eksempel observation af spin-foton entanglement^{5,15, 16}, demonstration af klædt stater^{2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26}og sammenhængende manipulation af begrænset spins^{3,27,28,29,30}. Hverken tilgang kan anvendes universelt til enhver situation; hver er begrænset til nogle særlige betingelser. Mørke-felt teknik anvender polarisering frihedsgrad fotoner til at undertrykke excitation laser spredning. Denne teknik har flere fordele. For eksempel, er der ingen krav om en veldefineret bølgeleder tilstand, som muliggør Konfokal-kun gennemførelse. Konfokal gennemførelsen giver cirkulært polariseret excitation og eventuelt strammere fokus af excitation stråle på quantum emitter, hvilket resulterer i højere excitation intensitet. Dog denne polariseringen-selektiv metode begrænser påvisning polarisering skal ortogonale i forhold til magnetisering polarisering, og dermed forhindrer en fuldstændig karakterisering af egenskaberne polarisering af fluorescens. I sammenligning bevarer rumlig tilstand forskelsbehandling påvisning polarisering komplet frihed ved at udnytte orthogonality mellem formering tilstande af excitation og påvisning bjælker til at undertrykke laser spredning⁴. Begrænsningerne af denne teknik er nødvendigheden af at en bølgeleder struktur i stikprøven til at give en excitation mode ortogonale i forhold til påvisning mode og begrænsning af excitation polarisering skal være vinkelret på formering retning af bjælken .

Her viser vi en protokol til at konstruere en fri-rum-baserede ortogonale excitation-påvisning setup for resonans fluorescens eksperimenter. Sammenlignet med det banebrydende arbejde på fysisk tilstand forskelsbehandling hvor en optisk fiber blev brugt til at par lys ind i hulrummet⁶, denne protokol giver en løsning i ledig plads, og kræver ikke kinetic komponenter at montere enten prøven eller den fiber i kryostaten. Fin kontrol af retninger af excitation stråle og registrering sti er manipuleret af optik uden for kryostaterne, mens asfærisk singlet objektiver fungere som fokus mål inden den kolde region af kryostaterne. Vi giver repræsentative billeder af de centrale justering skridt i processen med at opnå resonant excitation og afsløring af fluorescens fra en enkelt quantum dot.

Prøver til brug for denne demonstration er vokset med molekylær stråle epitaxy (MBE). InGaAs quantum dots (QDs) er indlejret i en GaAs spacer, der er afgrænset af to distribuerede Bragg reflektorer (DBRs), som vist i visningen zoome ind i eksemplet i figur 1. GaAs spacer mellem DBRs fungerer som en bølgeleder, hvor excitation strålen er begrænset af total interne reflection. DBRs også fungere som høj reflektivitet spejle for wavevectors, det er næsten normale at prøve flyet. Dette udgør en Fabry-Perot tilstand som QDs par når udsender fluorescens. Fabry-Perot tilstand skal være resonant med emission bølgelængde λ af QDs, som kræver GaAs spacer skal være et heltal multiplum af λ/n, hvor n er indekset for brydning af GaAs. For denne demonstration, er tykkelsen af GaAs spacer valgt at være 4λ/n, som er ca 1 µm, for at være i nærheden af diffraktion begrænset spot størrelse af den hændelse excitation stråle. En smallere spacer ville resultere i en lavere kobling effektivitet af excitation stråle i tilstanden bølgeleder.

Opsætningen af eksperimenterende er vist i figur 1. At maksimere kobling effektivitet, en asfærisk single-linse mål E_obj med numerisk blænde NA = 0,5 og brændvidde på 8 mm er valgt at fokusere excitation stråle ind kløvet over for prøven. Funktionen af de keplerske kikkert (sammensat af linse par E1 og E2) i stien excitation er todelt: (1) at fylde blænde af excitation mål E_obj så excitation strålen er stramt fokuseret for bedre tilstand-matching til bølgeleder (i denne erkendelse kollimeres lysbundtets diameter er 2.5 mm), og (2) at give tre grader af frihed til at manøvrere omdrejningspunktet for excitation stråle på prøven kløvet overflade. Linse E1 er monteret på en X-Y translationel mount, der giver to grader af frihed til at flytte excitation stedet frit i flyet af kløvet prøve ansigt. Linse E2 er monteret på en ikke-roterende zoom boliger som giver frihed til at vælge dybden af omdrejningspunktet i prøven. Disse tre grader af frihed tillader os at optimere resonant excitation af en enkelt QD uden at kræve bevægelse af prøven selv.

I stien fluorescens samling bruges en lignende linse konfiguration (L_obj, L1 og L2) til at tillade registrering af fluorescens fra forskellige dele af prøven. Lyset fra prøven er fokuseret af en af to rør linserne på enten en IR-følsomme kamera (L_cam) eller indgangen spalten af spectrometer (L_spec). Bevægelse af L1 langs z-aksen justerer fokus i billedet, og laterale oversættelse af L2 forårsager billede til at scanne hele flyet af prøven. Brændvidder af L1 og L2 er lige så deres forstørrelse er enhed. Dette er gjort for at maksimere området L2 kan oversættes før vignettering opstår.

For at lette justering og placering af en QD, iblandes en hjem-bygget illuminator baseret på Kohler belysning setup, som vist i figur 1. Formålet med Kohler belysning er at levere ensartede belysning til prøven og sikre, at en image af belysning lyskilden er ikke synlige i prøven billede. Linse konfigurationer af både illuminator og stien samling er omhyggeligt designet til at adskille de konjugerede billede fly af prøven og lyskilden. Hver linse i stien samling er adskilt fra sine naboer med summen af deres brændvidder. Dette sikrer, at uanset hvor prøven billede er i fokus – som på sensoren af kamera-lyskilde billedet er helt svækkede. Ligeledes, hvor lyskilden billedet er i fokus – som på tilbage brændplanet af målet – prøve billede er helt område. Lyskilden er en kommerciel light emitting diode (LED) udsender på 940 nm. Blænde membran giver mulighed for justering af belysning intensitet, og feltblændet bestemmer synsfelt skal oplyses. Nøglerne til at realisere ensartet belysning er at indstille afstanden mellem linse K4 og L2 skal summen af brændvidder af de to objektiver, og for at sikre, at blænde af L_obj er ikke overfyldt af belysningen. I denne protokol bruges at belysningen også til at optimere afstanden mellem L_obj og prøven.

Mål L_obj og begge rør objektiv giver en forstørrelse på 20 x på kameraet eller spektrometeret. Linse par L3 og L4 mellem L_obj og L_spec danner en anden keplerske kikkert, der giver en ekstra 4 x forstørrelse til billedet på afgift – sammen enhed (CCD) i spektrometeret. Tilsætning af linser L3 og L4 resultater i en total forstørrelse af 80 x, som er nødvendige til rumligt skelne fluorescens fra nærliggende QDs. L3 og L4 er monteret på flipping mounts til at lette skift af forstørrelse fordi 20 x forstørrelse giver en større synsfelt på prøve.

For at overlappe synsfelt samling stien med stien af excitation stråle gennem bølgeleder, er emission fra kontinuum af quantum dot befugtning lag nyttigt. Man kan bestemme emission boelgelaengden befugtning lag ved at måle emission spektrum af prøven under ovenfor band-gap excitation. For vores eksempel, fugte lag emission forekommer på ca 880 nm ved 4.2 K. Ved at koble en cw laserstråle på 880 nm i bølgeleder af prøven, kan man iagttage en stribe mønster dannet af PL fra befugtning lag, som er vist i den medfølgende video. Streak afslører stien formering af excitation-lyset, der har været koblet ind i bølgeleder. Tilstedeværelsen af denne stribe, kombineret med evnen til at billede overfladen af stikprøven gør justering ligetil.