Rezonans Floresans ortogonal uyarma ve algılama kullanarak düzlemsel boşluğunda bir InGaAs kuantum nokta
Summary
Bir tek kendi kendine monte kuantum nokta rezonans uyarma Floresans koleksiyon modu için dik bir uyarma modu kullanılarak elde edilebilir. Biz dalga kılavuzu ve kuantum nokta çevreleyen bir düzlemsel microcavity Fabry-Perot modları kullanarak bir yöntem göstermek. Yöntemi tam bir özgürlük içinde algılama polarizasyon sağlar.
Abstract
Aynı anda rezonans uyarma ve floresan algılama yeteneğini Kuantum Optik kuantum nokta (QDs) ölçülerini önemlidir. Floresans algılama – Örneğin, fark iletim ölçüm – olmadan rezonans uyarma yayan sisteminin bazı özelliklerini belirleyebilirsiniz ancak uygulamalar veya verilmiş fotonlar dayalı ölçüler izin vermez. Örneğin, foton korelasyon ölçümü, Mollow üçlüsü gözlenmesi ve tüm tek foton kaynaklarının gerçekleşme Floresans topluluğu gerektirir. -Örneğin, yukarıda grup-gap uyarma-floresan algılama ile tutarsız uyarma tek foton kaynakları oluşturmak için kullanılabilir, ancak uyarma nedeniyle çevreye rahatsızlık fotonlar indistinguishability azaltır. Tek foton kaynakları QDs üzerinde dayalı yüksek foton indistinguishability için resonantly heyecan olmak zorunda ve fotonlar eşzamanlı koleksiyonu yapmak gerekli olacaktır onları kullanmak. Biz resonantly tek bir QD heyecanlandırmak için bir yöntem bir düzlemsel boşluğunda uyarma ışını bu boşluğa örnek cleaved yüzünden örnek’ın yüzey normal yön boyunca Floresans toplarken kaplin tarafından gömülü göstermek. Dikkatle uyarma ışın kavite dalga kılavuzu moduna eşleştirerek, uyarma ışık boşluğuna çift ve QD ile etkileşim. Dağınık fotonlar kavite ve kaçış yüzey normal yönde Fabry-Perot modunu çift. Bu yöntem algılama polarizasyon tam bir özgürlük sağlar, ancak uyarma polarizasyon uyarma ışın yayma yönü tarafından kısıtlanır. Floresans ıslatma katmanından toplama yolu uyarma kiriş ile ilgili olarak hizalamak için bir kılavuz sağlar. Dikeylilik uyarma ve algılama modları tek bir QD ihmal edilebilir lazer saçılma arka plan ile rezonans uyarma sağlar.
Introduction
Floresans algılama ile kombine bir tek kuantum emitör rezonans uyarma esas olarak hayalice güçlü uyarma saçılma gelen zayıf Floresans ayırımcılık yetersizlik nedeniyle uzun vadeli bir deneysel meydan okumaydı. Bu zorluk ancak, başarılı bir şekilde son on yılda iki farklı yaklaşım tarafından üstesinden gelmiştir: dark-alan confocal uyarma esaslı polarizasyon ayrımcılık1,2,3,4 ,5ve ortogonal uyarma-algılama uzamsal mod ayrımcılık6,7,8,9,10,11, temel 12,13,14. Her iki yaklaşımın önemli ölçüde lazer saçılma bastırmak için güçlü bir yetenek göstermek ve böylece çeşitli deneyler, örneğin, spin-foton Dolaşıklık5,15, gözlenmesi yaygın olarak kabul 16, gösteri giyinmiş Birleşik2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26ve tutarlı işleme kapalı spin3,27,28,29,30. Ben de yaklaşım evrensel her duruma uygulanabilir; Her bazı belirli koşullar için sınırlıdır. Karanlık-alan tekniği polarizasyon özgürlük derecesi, fotonlar uyarma lazer saçılma bastırmak için kullanır. Bu teknik birkaç avantajı vardır. Örneğin, salt confocal sağlayan bir iyi tanımlanmış dalga modu için bir gereksinim vardır. Dairesel yayın yapan uyarma ve daha yüksek uyarma şiddeti kaynaklanan kuantum yayıcı, uyarma demetinin muhtemelen daha sıkı odak için confocal uygulama sağlar. Ancak, bu kutuplaşma seçici yöntem uyarma polarizasyon ortogonal olmak algılama polarizasyon kısıtlar ve böylece Floresans polarizasyon özelliklerini tam bir karakterizasyonu engeller. Buna karşılık, uzamsal mod ayrımcılık lazer saçılma4bastırmak için uyarma ve algılama kirişler yayılma modları arasında dikeylilik kullanarak algılama polarizasyon özgürlüğü korur. Bu teknik bir uyarma modu algılama moduna ortogonal sağlamak için örnek bir dalga kılavuzu yapısında gerekliliği ve ışın yayma yönünü dikey olarak uyarma polarizasyon sınırlamasının kısıtlamalardır .
Burada, ücretsiz uzay tabanlı ortogonal uyarma-algılama Kur rezonans Floresans deneyler için oluşturmak için bir protokol göstermektedir. Nerede bir fiber optik ışık kavite6çift için kullanıldı uzamsal mod ayrımcılık öncü çalışmaları ile karşılaştırıldığında, bu iletişim kuralı bir çözümde boş alan sağlar ve does değil istemek ya da örnek bağlamaya Kinetik bileşenleri veya cryostat lif. Uyarma kiriş ve algılama yolu ayrıntılı denetimini manipüle tarafından cryostat için harici optik asferik singlet lensler hedefleri cryostat soğuk bölge içinde odak olarak hareket ederken. Biz temsilcisi görüntüleri elde rezonans uyarma ve floresan üzerinden bir tek kuantum nokta tespiti sürecinde anahtar hizalama adımları sağlar.
Bu gösteri için kullanılan örnek moleküler ışın epitaxy (MBE) tarafından yetiştirilir. InGaAs kuantum noktaları (QDs) şekil 1‘ deki örnek yakınlaştırma görünümü gösterildiği gibi iki dağıtılmış Bragg reflektör (DBRs) tarafından sınırlı bir GaAs spacer katıştırılır. GaAs spacer DBRs arasında nerede uyarma ışın toplam iç yansıma ile sınırlı bir dalga kılavuzu davranır. DBRs örnek uçak neredeyse normal wavevectors için yüksek-yansıtırlık ayna olarak hareket. Bu bir Fabry-Perot modu için QDs Floresans yayan zaman çift oluşturur. Fabry-Perot modu bir tamsayı olmak GaAs spacer gerektiren emisyon dalga boyu λ QDs in ile rezonans olmalıdır λ/n, n GaAs dizin of kırılma nerede katları. Bu gösteri için GaAs spacer kalınlığı 4λ/n, olmak böylece olay uyarma ışını kırınım sınırlı nokta boyutu olmak yaklaşık 1 µm olduğu seçilir. Daha dar bir spacer bir alt kaplin verimliliğini uyarma ışın dalga kılavuzu moduna neden olur.
Deneysel yapısı şekil 1‘ de gösterilen. Sayısal diyafram NA ile Asiferik tek objektifli amaç Eobj kaplin verimliliği maksimize etmek için 0,5 = ve 8 mm odak uzaklığı uyarma ışın cleaved yüz örnek üzerine odaklanmak için seçilir. (Objektif çift E1 ve E2 oluşan) uyarma yolunda Keplerian teleskobun işlevi iki yönlüdür: (1) uyarma ışın sıkı bir şekilde (içinde dalga kılavuzu için daha iyi modu eşleştirmek için odaklanmıştır bu yüzden uyarma amaç Eobj diyafram doldurmak için Bu gerçekleşme collimated ışın çapı 2.5 mm olan) ve (2) örnek cleaved yüze uyarma ışın odak noktası manevra için özgürlük üç derece sağlamak için. Objektif E1 uyarma yerde serbestçe örnek i ciddi yüz uçak kaydırmaya özgürlük iki derece sağlar bir xy translasyonel mount monte. Objektif E2 üzerinde odak noktası derinliği örnek seçme özgürlüğü sağlayan konut dönmeyen zoom monte edilir. Bu üç derece özgürlük hareketi örnek kendisi gerek kalmadan tek bir QD rezonans uyarma en iyi duruma getirmek sağlamak.
Floresans koleksiyonu yolunda da benzer bir objektif yapılandırma (Lobj, L1 ve L2) floresan örnek farklı yerlerinden algılanmasını sağlamak için kullanılır. Örnek ışıktan bir iki tüp objektif ya bir IR duyarlı kamera (Lcam) üzerine veya Spektrometre (Lspec) giriş yarık tarafından odaklanmıştır. L1 hareket z ekseni boyunca görüntü odağı ayarlar ve L2 yanal çeviri örnek uçak arasında tarama için görüntünün neden olur. Yani onların büyütme birlik L1 ve L2 odak uzunlukları eşittir. Bu L2 vinyet oluşmadan önce tercüme edilebilir aralığın en üst düzeye çıkarmak için yapılır.
Hizalama ve bir QD konumunu kolaylaştırmak için Kohler aydınlatma üzerinde dayalı bir ev inşa ışığı şekil 1‘ de gösterildiği gibi kurulum kurulmuştur. Kohler aydınlatma amacı örnek için tek tip aydınlatma sağlar ve emin olduğu bir iMage aydınlatma ışık kaynağı, örnek görüntüde görünür değil. Objektif yapılandırmaları ışığı ve toplama yolu dikkatle eşlenik görüntü uçaklar örnek ve ışık kaynağı ayırmak için tasarlanmıştır. Her objektif koleksiyonu yolundaki komşuları–dan onların odak uzunlukları toplamı tarafından ayrılır. Örnek resim odakta – her yerde fotoğraf makinesi duyumsal ışık kaynağı görüntü tamamen defocused gibi bu emin olmayı sağlar. Amaç-geri odak düzlemi örnek görüntü tamamen ufuk gibi benzer şekilde, ışık kaynağı resim odakta – nerede. Işık kaynağı bir ticari ışık yayan diyot (LED) 940 yayan maddedir nm. Diyafram diyafram aydınlatma yoğunluğunu ayarlama sağlar ve alan diyafram aydınlatılmış için görüş alanı belirler. Arasındaki mesafeyi ayarlamak için tek tip aydınlatma fark için anahtar taşı are iki objektif odak uzunlukları toplamı K4 ve L2 lens ve L diyafram emin olmak içinobj tarafından aydınlatma dolu değil. Bu protokol için aydınlatma Lobj ve örnek arasındaki mesafe en iyi duruma getirmek için de kullanılır.
Amaç Lobj ve her iki tüp lens kamera veya Spektrometre 20 x büyütme sağlar. Lobj ve Lspec arasında objektif çifti L3 ve L4 şarj kuplajlı cihaz üzerinde (CCD) Spektrometre, bir ekstra 4 x büyütme görüntü sağlar başka bir Keplerian teleskop oluşturur. Toplam büyütme dağınık şekilde Floresans yakındaki QDs. L3 ve L4 ayırt etmek gerekli olan 80 x, L3 ve L4 sonuçlarında büyütme oranını geçiş kolaylaştırmak için bağlar saygısız monte edilmiştir lensler ilavesi 20 x büyütme örnek üzerinde görüş daha büyük bir alan sağlar.
Toplama yolu uyarma ışın yol dalga kılavuzu ile görüş alanı örtüşmesi için süreklilik emisyon katman ıslatma kuantum nokta yardımcı olur. Kimse emisyon dalga boyu ıslatma tabakasının altında örnek grubu-gap uyarma yukarıda emisyon spektrum ölçerek belirleyebilirsiniz. İçin bizim örnek, katman emisyon ıslatma yaklaşık 880 oluşur 4.2 K. nm’de Cw lazer ışını 880, kaplin tarafından nm dalga kılavuzu örnek içine bir çizgi deseni kurulan eşlik eden videoda gösterilen ıslatma katmanından pl gözlemleyebilirsiniz. Çizgi dalga kılavuzu birleştiğinde uyarma ışık yayma yolu ortaya koymaktadır. Örnek yüzeyine resim yeteneği ile birlikte bu çizgi varlığı hizalama basit hale getirir.
Protocol
Representative Results
Discussion
İletişim kuralındaki kritik adımlar şunlardır: modu eşleştirme ve hizalama uyarma ışınının dalga kılavuzu moduna; ve doğru hizalaması ve koleksiyon optik odaklama. En zor adımları ilk hizalama parçalarıdır; zaten hizalanmış bir kurulum kaplin en iyi duruma getirme nispeten kolaydır. Çakışan toplama ve uyarma alanlarına örnek kamera görüntü olanağı basittir, ancak bu yetenek çok zor bir adımdır. Yüksek kaliteli görüntüleme için uygun Kohler aydınlatma önemlidir. Kohler aydınlat…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Glenn S. Solomon örnek sağlamak için kabul etmek istiyorum. Bu eser Ulusal Bilim Vakfı (DMR-1452840) tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Tunable external cavity diode laser | Toptica Photonics | DL-Pro | |
| Closed-cycle cryostat | Montana Instruments | Cryostation | |
| Spectrometer, 750 mm focal length | Princeton Instruments | SpectraPro 2750 | |
| Thermoelectrically cooled charge-coupled device | Princeton Instruments | Pixis 100BR-eXcelon | |
| HeNe laser | JDSU | 1125P | |
| Infrared sensitive camera | Sony | NEX-5TL | IR blocking filter removed |
| Power meter and detector | Newport | 1918-C, 918D-IR-OD3 | |
| Adjustable aspheric fiber collimator | Thorlabs | CFC-8X-A | |
| Air-Spaced Doublet Collimator | Thorlabs | F810APC-842 | |
| Protected Silver Mirrors x 5 | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
| Flip mounts x 2 | Thorlabs | FM90 | |
| Aspheric condenser lens, f = 20 mm; K1 | Thorlabs | ACL2520-B | |
| Best form spherical lens, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2 | Thorlabs | LBF254-050-B | |
| Best form spherical lens, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4 | Thorlabs | LBF254-100-B | |
| Best form spherical lens, f = 200 mm; Lspec, Lcam | Thorlabs | LBF254-200-B | |
| Plano-convex lens, f = 400 mm; L3 | Thorlabs | LA1172-B | |
| Molded glass aspheric lens, f = 8 mm; Eobj | Thorlabs | C240TME-B | |
| Precision asphere, f = 10 mm; Lobj | Thorlabs | AL1210-B | |
| Longpass Filters, 800 nm, x2 | Thorlabs | FEL0800 | |
| Non-polarizing beam splitter cube (NPBS) | Thorlabs | BS029 | |
| Pellicle beam splitter | Thorlabs | BP108 | |
| Polarizer | Thorlabs | LPNIRE100-B | |
| Light emitting diode, 940 nm | Thorlabs | M940D2 |
References
- 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).
- Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -. Y., Atatüre, M. Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence. Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).
- Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467 (7313), 297-300 (2010).
- 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).
- 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).
- Muller, A., et al. Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity. Phys. Rev. Lett. 99 (18), 187402 (2007).
- Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nat. Phys. 5 (3), 203-207 (2009).
- Konthasinghe, K., et al. Coherent versus incoherent light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 85 (23), 235315 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ge, R. -. C., et al. Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots. Opt. Lett. 38 (10), 1691 (2013).
- 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).
- Robertson, J., et al. Polarization-resolved resonant fluorescence of a single semiconductor quantum dot. Appl. Phys. Lett. 101 (25), 251118 (2012).
- De Greve, K., et al. Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength. Nature. 491 (7424), 421-425 (2012).
- 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).
- 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).
- Hargart, F., et al. Cavity-enhanced simultaneous dressing of quantum dot exciton and biexciton states. Phys. Rev. B. 93 (11), 115308 (2016).
- 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).
- 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).
- Xu, X., et al. Coherent Optical Spectroscopy of a Strongly Driven Quantum Dot. Science. 317 (5840), 929-932 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sun, S., Waks, E. Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics. Physical Review A. 94 (1), 012307 (2016).
- Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots. Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114 (2013).
- Nguyen, H. S., et al. Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401 (2012).
- 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).
- Köhler, A. Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke. Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik. 10 (4), 433-440 (1893).
- Köhler, A. New method of illumination for photomicrographical purposes. Journal Royal Microscopical Society (Great Britain). 14, 261-262 (1894).
- He, Y. -. M., et al. On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability. Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).
