Yüksek Çözünürlüklü Fonon destekli Yarı-rezonans Floresans Spektroskopisi
Summary
The manuscript describes a method of phonon-assisted quasi-resonant fluorescence spectroscopy that incorporates both laser-limited resolution and photoluminescence (PL) spectroscopy. This method utilizes optical phonons to provide linewidth-limited resolution spectra of atom-like semiconductor structures in the energy domain. The method is also easily realized with a single spectrometer optical spectroscopy setup.
Abstract
Yüksek çözünürlüklü optik spektroskopi yöntemleri ya teknoloji, ekipman, karmaşıklığı, zaman ya da bunların bir kombinasyonu açısından talep ediyorlar. Burada sıkma ince yapısı ve tek kuantum noktaları (QDS) homojen LineWidth ötesinde spektral özellikleri çözümünde bir standart, kolay kullanımlı spektrometre kurulumu kullanarak edebilen bir optik spektroskopi yöntemi göstermektedir. Bu yöntem çok kanallı fotoluminesans algılama ile lazer çizgisi genişliği sınırlı çözünürlük avantajı birleştirerek, lazer ve fotoluminesans spektroskopisi hem de içermektedir. Böyle bir plan, ortak bir tek kademeli spektrometresi o aşkın çözünürlüğü önemli iyileşme sağlar. yöntem, taban durum geçiş rezonans uyarma sonra tek bir kuantum noktanın fotolüminesans ölçümünde yardımcı olmak için fonon kullanır. fonon enerji farkı bir ayrı ve heyecan verici kuantum nokta lazer ışığı filtre sağlar. Avantajlı bir feBu yöntemin çalıçtırdıgınızda çoğu araştırmacı için erişilebilir standart spektroskopi kurulumları, içine yalındır bütünleşmesidir.
Introduction
Yüksek çözünürlüklü yeni bilginin kilidini anahtarıdır. Bu bilgi ile, yeni teknolojiler daha iyi sensörler, daha hassas üretim araçları ve daha verimli hesaplama cihazlar gibi geliştirilebilir. Bu anahtarı oluşturuluyor, ancak, genellikle kaynaklar, zaman ya da her ikisi yüksek bir maliyetle geliyor. Bu sorun elektron küçük bir spektral kayma yanında uzak yıldızlara gezegenlerin saptanmasında yol açabilir astronomiye spin kaldırdı dejenerasyonları çözme atom fiziğinden tüm ölçekler arasında her yerde olduğunu. 1,2,3
Bu çalışmanın odak noktası standart bir spektrometre kurulumu kullanarak ve özellikle yarı iletken optik alanına ilişkin, çözünürlüğü sınırının altında spektral özellikleri çözebilir gösteren üzerindedir. Sunulan örnek bir kaç μeV mertebesinde olan InAs / GaAs kuantum noktaları (QD'lerin) anizotropiktir elektron-delik olduğunu (eh) döviz bölme vardır. 4 spektrometre c çözünürlük sınırıBir standart PL ve lazer spektroskopisi teknikleri birleştirerek aşılabilir. yarı-rezonans floresans bu yöntem yaygın tek kademeli spektrometre kullanılarak lazer sınırlı çözünürlük elde yararı vardır.
Tek QD PL spektroskopisi için standart bir optik spektroskopi sistemi, tek-aşamalı 0,3-0,75 m monokromatör ve bir uyarım lazer kaynağı ve optik ile birlikte aygıt (CCD) dedektörü bağlı bir yük oluşur. Bu tür bir sistemde, en iyi 950 nm civarında yakın kızıl ötesi spektrum içinde 50 μeV çözme kapasitesine sahiptir. Hatta istatistiksel ve ters evrişim teknikleri kullanımı ile, örneğin, tek bir monokromatör kurulum PL ölçümlerinde en az 20 μeV çözme yeteneğine sahip değildir. Spektrumudur burada 5 Bu çözüm, aynı zamanda, üç ilave modda bir üçlü spektrometresi kullanılarak iyileştirilebilir arda üç ızgaralar tarafından dağıtıldı. üçlü spektrometre çözme yeteneğine artan çözünürlük avantajı vardıryaklaşık 10 μeV. Alternatif yapılandırma, üçlü Subtractive modunda, ilk iki ızgaralar az 0,5 MeV ile uyarma ve algılama ayırmak için güçlü olmak ekledi özelliği veren bir bant geçiren filtre olarak davranır. üçlü spektrometre sakıncası pahalı bir sistem olmasıdır.
ilgi yöntemi sunmadan önce, kısaca ekledi karmaşıklığı ile, daha iyi spektral çözünürlük elde ve tek QDS ince yapı çözebilirseniz, diğer deneysel yaklaşımlar tartışılmıştır. Bu yöntemlerin elemanları sunulan yöntem ile ilgili bulunmaktadır. Bu tür bir yöntem, tek bir spektrometre kurulum algılama yolunda bir Fabry-Perot interferometre (FPI) ilave edildi. 6 çözünürlük FPI incelik ile ayarlanır, bu yöntemi kullanarak. Böylece, spektrometrenin çözünürlüğü ekledi karmaşıklığı ve daha düşük sinyal yoğunluğu pahasına, 1 μeV için geliştirilmiştir. 7 interferometre yöntemi de genel Operati değiştirirCCD kamera ile spektrometrenin üzerinde etkili bir şekilde tek bir nokta detektörü haline ve çeşitli enerjileri vasıtasıyla ayarlama FPI boşluğu kendisini ayarlanmasıyla elde edilir.
Rezonans floresan (RF) spektroskopisi, tek bir optik geçiş hem heyecanlı ve izlenen ayrıca yüksek çözünürlüklü spektroskopisi vaadi sunan başka bir yöntem. spektral çözünürlük sadece lazer LineWidth ile sınırlı ve sadece bir sensör sinyalini ama CCD piksel sayısını tespit bir çok kanallı dedektörü olarak CCD tutar. Bu çok kanallı saptama sinyali ortalama alma açısından avantajlıdır. Tek QD seviyesinde ölçüm yaparken RF spektroskopi zorluk, özellikle dağınık lazer ışığının büyük arka PL sinyali ayıran. Bir takım teknikler dahil, ya polarizasyon 8 dağılmış lazer ışığı, 9 ya da zamansal olarak ayrılması 10 sinyalin oranını düşürmek için kullanılabiliruyarı ve tespit. İlk dağınık ışık bastırmak için yüksek imha polarıcıları kullanmak, ancak bu yöntem PL polarizasyon bilgileri kaybetme olumsuz sonuçları vardır. 8 Başka bir olası bir yöntem optik boşluklara birleştiğinde yarı iletken sistemleri mühendisi rezonans floresan olduğunu elde nerede uyarı ve tespit yolları uzamsal ayrılır. Bu büyük lazer arka PL sinyalini çözmek zorunda konusunu ortadan kaldırır. Ancak, bu yöntem yoğun genel kaynak olan karmaşık örnek imalat sınırlıdır. 9
Ayrıca dakikalık enerji farklılıkları gidermek mümkün yöntemlerden başka sınıfı, tam polarizasyon bilgileri ile lazer sınırlı çözünürlüğü elde yararı vardır diferansiyel iletimi gibi saf lazer spektroskopisi, o olduğunu. Bu yöntem, genellikle trans minik değişiklikleri gözlemek için kilit-algılama gerektirirbüyük bir lazer arka kıyasla görevin sinyali. 11 Son zamanlarda, kullanarak ya,% 20 değerlerine QD 'ye (ler) ile etkileşime lazer ışığının fraksiyonunun bir takviye yol açmıştır nano fabrikasyon gelişmeler göstergesi eşlemeli bir katı daldırma lensler veya fotonik kristal dalga kılavuzu içinde noktalar gömme. 12
Bu yöntemler yüksek enerji çözünürlüğü ulaşma yeteneğine sahip olsa da, onlar pahalı ekipman, karmaşık örnek imalat ve bilgi kaybı pahasına geliyor. Bu çalışmada yöntem düzenli PL kurulum enstrümantasyon veya numune üretiminde karmaşıklığı eklemeden bu üç yöntemleri unsurları birleştirir.
Son çalışmalar Eksiltici modunda bir üçlü spektrometre sistemi ile, bir kuantum nokta molekülünün (QDM) iki foton geçiş spektrumunda tekli-üçlü ince yapı görselleştirmek mümkün olduğunu göstermiştir. 13 sipariş üzerine tutulan enerji yarmaμeV onlarca bir kaç resonantly geçişler heyecanlandırmak ve bir MeV daha kısa bir sürede tespit etmek için izin üçlü Subtractive modu kullanılarak çözüldü. spektrum bilgisi akustik fonon ve diğer alt-yatan exciton geçişleri kullanılarak geçiş aşağıdaki izlenerek ekstre edilmiştir. Şekil 1'de görüldüğü gibi bu yöntem de sırasıyla 8 μeV ve 4 μeV, bir exciton geçiş anizotropik eh değişim bölme ve hatta ömür boyu sınırlı çizgi genişliğine gidermek için uygulanabilir. Bu sonuca benzer şekilde, bu kağıt basit üzerinde durulacak diğer yüksek çözünürlüklü yöntemleri sahip avantajları birçok dahil edecektir spektrometre kurulumu. Ayrıca CCD Çok kanallı dedektörü olarak kalacaktır. Deneysel kurulum da diğer yüksek çözünürlüklü spektroskopisi yöntemleri oldukça ucuz göreceli tutulur ve kolayca tek nokta korelasyon ölçümleri elde etmek için değiştirilen yararı vardır edilebilir. Sonuç usin aksineg akustik fononlar ve üçlü spektrometre, altta yatan anahtar yarıiletken örnekleri oluşturan yarı iletkenler ve ilgili alaşımları ile ilişkili ÖÇ-fonon uydu kullanımını sağlamaktır. Ç-fonon uydu ve sıfır fonon hattı (ZPL) arasındaki enerji ayırma tek kademeli spektrometresi kullanımına izin veren, bu örnekler için MeV onlarca civarındadır. 14 Bu enerji ayrılması teklif quasi kullanılmasına imkan verir resonantly geçişi sürüş ve bir LO fonon eşit bir enerji ile uyarma altında izleyerek -resonance spektroskopi yöntemi. Bir tanesi heyecanlı geçiş içine heyecanlandıran ve zemin durumu geçişi izler burada tekniği. Geçiş arasındaki ayrılık heyecanlı olmak 15 PL uyarma benzer ve LO-fonon uydu olduğunu bastırmak için kenar geçiş filtrelerinin kullanımı için izin verir elastik ışık saçtı. fonon uydu kullanarak bu yöntem lazer çizgi kalınlığı sınırlı çözünürlük sağlarresonantly heyecan verici, çünkü geçiş ÖÇ-fonon uydu emisyon görünür hale gelmesi sadece zaman genellikle.
Protocol
Representative Results
Discussion
The above instructions demonstrate the phonon-assisted quasi-resonance spectroscopy method. By exciting into a QD discrete state, one can monitor the phonon emission line, achieving high resolutions. In the example provided, by using phonons it is even possible to resolve the lifetime-limited linewidth of the neutral exciton visible in experiments. The method is easy to incorporate into existing PL spectroscopy setups. As mentioned, once the energy of the desired transition line is identified via non-resonant spectroscop…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar örnekleri çalışılan sağlamak için Donanma Araştırma Laboratuarı'nda Allan Bräcker ve Daniel Gammon kabul etmek istiyorum. Bu çalışma Kaliforniya Merced Üniversitesi Savunma Tehdit Azaltma Dairesi, Temel Araştırma Ödülü # HDTRA1-15-1-0011 tarafından (kısmen) desteklenmiştir.
Materials
| Tunable Diode Laser DL pro | Toptica Photonics | DL Pro | |
| Closed Cycle Cryogen Free Refrigerator System for Microscopy | Cryo Industries of America Inc. | Cryocool G2 | |
| Sourcemeter | Keithley | 2611a | |
| 50x Mitutoyo Plan Apo NIR Infinity-Corrected Objective | Mitutoyo America Corporation | 378-825-5 | |
| Turbo pump | Pfeiffer Vacuum | HiPace 80 | |
| NIR coated Mirrors | Thor labs | BB1-E03 | |
| Polarizers | Thorlabs | LPNIR050-MP | |
| 200mm AR coated Achromatic lens | Thorlabs | AC254-200-B-ML | |
| 100mm AR coated Achromatic lens | Thorlabs | AC254-100-B-ML | |
| 960 Long pass filter | Thorlabs | 960aelp | |
| 960 Short pass filter | Thorlabs | 960aesp | |
| Liquid Crystal Variable Retarder | Meadowlark Optics | LVR-100 | |
| 0.75m Spectrometer Acton SpectraPro | Princeton Instruments | Trivista | |
| Liquid Nitrogen Cooled Camera | Princeton Instruments | 7508-0002 | |
| External Camera | Watec | Wat-902H Ultimate | Optional |
| Ostoalloy | Lake Shore Cryotronics | Ostalloy 158 | |
| Gold wire (40 gauge) | Surepure Chemetals | Au-Wire-03-02 | |
| Silver Epoxy | A.I. Technology | Prima-Solder EG8020 | |
| Program Software | National Instruments | LabView |
References
- Germanis, S., et al. Piezoelectric InAs/GaAs quantum dots with reduced fine-structure splitting for the generation of entangled photons. Phys. Rev. B. 86, 1-4 (2012).
- Valenti, J. A., Fischer, D. A. Spectroscopic Properties of Cool Stars (SPOCS). I. 1040 F, G, and K Dwarfs from Keck, Lick, and AAT Planet Search Programs. ApJ. 159, 141-166 (2005).
- Oetiker, B., et al. Searching for Companions to Late Type M Stars. .Astro. Soc. Pac. Conf. Ser. 212, (2000).
- Seguin, R., Rodt, S., Schliwa, A., Potschke, K., Pohl, U. W., Bimberg, D. Size-dependence of anisotropic exchange interaction in InAs/GaAs quantum dots. Phys. Status Solidi B. 243 (15), 3937-3941 (2006).
- Belhadj, T., et al. Controlling the Polarization Eigenstate of a Quantum Dot Exciton with Light. Phys. Rev. Lett. 103 (1-4), (2009).
- Ulrich, S. M., et al. Control of single quantum dot emission characteristics and fine structure by lateral electric fields. Phys. Status Solidi B. 246 (2), 302-306 (2009).
- Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467, 297-300 (2010).
- Poem, E., et al. Polarization sensitive spectroscopy of charged quantum dots. Phys. Rev. B. 76, (2007).
- Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nature Phys. 5, 203-207 (2009).
- Scheibner, M., Bacher, G., Forchel, A., Passow, T., Hommel, D. Spin Dynamics in CdSe/ZnSe Quantum Dots: Resonant vesus Nonresonant Excitation. J. Supercond. Nov. Magn. 16 (2), 395-398 (2003).
- Faelt, S., Atature, M., Tureci, H. E., Zhao, Y., Badolato, A., Imamoglu, A. Strong electron-hole exchange in coherently coupled quantum dots. Phys. Rev. Lett. 100, 1-4 (2008).
- Vamivakas, A. N., et al. Strong Extinction of a Far-Field Laser Beam by a Single Quantum Dot. Nano Letters. 7 (9), 2892-2896 (2007).
- Scheibner, M., Economou, S., Ponomarev, I. V., Jennings, C., Bracker, A., Gammon, D. Two-Photon Absorption by a Quantum Dot Pair. Phys. Rev. B. 92, (2015).
- Palik, E. D. . Handbook of Optical Constants of Solids. Vols. I and II. , (1985).
- Kerfoot, M. L., et al. Optophononics with Coupled Quantum Dots. Nat. Commun. 5, 1-6 (2013).
- Scheibner, M., Bracker, A. S., Kim, D., Gammon, D. Essential concepts in the optical properties of quantum dot molecules. Solid State Commun. 149, 1427-1435 (2009).
- Bracker, A. S. Engineering electron and hole tunneling with asymmetric InAs quantum dot molecules. Appl. Phys. Lett. 89, 1-3 (2006).
- Doty, M. F., et al. Electrically Tunable g Factors in Quantum Dot Molecular Spin States. Phys. Rev. Lett. 97, 1-4 (2006).
- Stinaff, E. A., et al. Optical Signatures of Coupled Quantum Dots. Science. 311, 636-639 (2006).
- Tkachenko, N. V. . Optical Spectroscopy: Methods and Instrumentations. , (2006).
- Hecht, E. . Optics. , (2014).
- O’Donnell, K. P., Chen, X. Temperature dependence of semiconductor band gaps. Appl. Phys. Lett. 58, 2924-2926 (1991).
- Stinaff, E. A., et al. Polarization dependent photoluminescence of charged quantum dot molecules. Phys. Stat. Sol. (c). 5 (7), 2464-2468 (2008).
- Jelezko, F., Wrachtrup, J. Single defect centres in diamond: A review. Phys. Stat. Sol. (a). 203 (13), 3207-3225 (2006).
- Doherty, M. W. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. Physics Reports. 528 (1), 1-45 (2013).
