ارتفاع بمساعدة فونون الدقة شبه الرنين الإسفار الطيفي
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
ويطالب القرار السامي طرق التحليل الطيفي البصرية سواء من حيث التكنولوجيا والمعدات والتعقيد، والوقت، أو مزيج من هذه. نحن هنا لشرح طريقة التحليل الطيفي الضوئي التي هي قادرة على حل ميزات الطيفية أبعد من ذلك التركيب الدقيق تدور وlinewidth متجانس من النقاط الكمومية واحدة (نقاط الكمية) باستخدام معيار، والإعداد مطياف سهلة الاستخدام. يتضمن هذا الأسلوب على حد سواء الليزر والتحليل الطيفي معان ضوئي، والجمع بين ميزة الليزر خط عرض قرار محدود مع الكشف عن معان ضوئي متعدد القنوات. هذا المخطط يسمح لتحسن كبير في قرار على أن من مطياف مرحلة واحدة مشتركة. يستخدم الأسلوب الفونونات للمساعدة في قياس معان ضوئي من نقطة كمومية واحدة بعد الإثارة الرنانة الانتقال الحالة الأرضية. فرق الطاقة والطاقة الصوتية ويسمح احد لفصل وتصفية ضوء الليزر إثارة النقطة الكمومية. والحديد المفيدature هذا الأسلوب هو التكامل على التوالي إلى الأمام لها في الاجهزة الطيفي القياسية، والتي هي في متناول معظم الباحثين.
Introduction
ارتفاع القرار هو المفتاح لفتح معارف جديدة. مع هذه المعرفة، والتكنولوجيات الجديدة يمكن تطويرها مثل أجهزة الاستشعار أفضل، وأدوات التصنيع أكثر دقة، والأجهزة الحاسوبية أكثر كفاءة. توليد هذا المفتاح، ومع ذلك، غالبا ما يأتي بتكلفة عالية من الموارد والوقت أو كليهما. موجود في كل مكان هذه المسألة عبر جميع المستويات من الفيزياء الذرية من حل degeneracies رفع الإلكترون يدور في الفلك حيث تحول الطيفي صغيرة يمكن أن تؤدي إلى الكشف عن الكواكب بجانب النجوم البعيدة. 1،2،3
ويركز هذا العمل على استخدام الإعداد مطياف القياسية والتي تبين كيف يمكن حل السمات الطيفية تحت الحد المسموح قرارها، خاصة فيما يتعلق في مجال البصريات أشباه الموصلات. على سبيل المثال قدمت هو أن من متباين الخواص الإلكترون حفرة (إيه) تبادل تقسيم في ايناس / الغاليوم نقاط الكم (نقاط الكمية)، والتي تقع على حدود بضع μeV 4 الحد قرار مطياف جويمكن التغلب عليها من خلال الجمع بين تقنيات PL والتحليل الطيفي ليزر القياسية. هذا الأسلوب من مضان شبه صدى له فائدة إضافية تتمثل في تحقيق الليزر قرار محدود باستخدام شائعا مرحلة واحدة مطياف.
نظام التحليل الطيفي الضوئي القياسي لاحد الطيفي QD PL يتكون من مرحلة واحدة 0،3-،75 م مستوحد اللون والمسؤول إلى جانب جهاز (CCD) كاشف جنبا إلى جنب مع مصدر الليزر الإثارة والبصريات. مثل هذا النظام هو في أحسن الأحوال قادرة على حل 50 μeV في الطيف القريب من الأشعة تحت الحمراء نحو 950 نانومتر. حتى مع استخدام الأساليب الإحصائية وdeconvolution، مثل هذا الإعداد مستوحد اللون واحد غير قادر على حل أقل من 20 μeV في القياسات PL. 5 يمكن أيضا تحسين هذا القرار باستخدام مطياف الثلاثي، في وضع مضافة الثلاثي، حيث الطيف فرقت تباعا من قبل جميع حواجز شبكية الثلاثة. مطياف الثلاثي في الاستفادة من زيادة القرار، قادرة على حلحوالي 10 μeV. في تكوين بديل، وضع مطروح الثلاثي، وحواجز شبكية الأولين تتصرف كمرشح تمرير الفرقة، وإعطاء ميزة إضافية تتمثل في أن تكون قادرة على الفصل بين الإثارة والكشف عن طريق أقل من 0.5 إلكترون فولت. العيب من مطياف الثلاثي هو أنه نظام مكلف.
قبل تقديم طريقة الفائدة، ونحن نناقش بإيجاز النهج تجريبية أخرى، مع التعقد، وتحقيق حل الطيفي أفضل وتكون قادرة على حل التركيب الدقيق للنقاط الكمية واحدة. عناصر هذه الأساليب هي ذات الصلة إلى الطريقة المعروضة. واحدة من هذه الطريقة هو إضافة تداخل فابري بيرو (FPI) في مسار الكشف عن الإعداد طيف واحد. 6 باستخدام هذه الطريقة يتم تعيين القرار الذي براعة من FPI. وبالتالي، تم تحسين دقة مطياف ل1 μeV، على حساب تعقيد المضافة وأقل كثافة إشارة 7 طريقة تداخل أيضا تغيير operati العامعلى من مطياف مع كاميرا CCD، لتصبح فعالة للكشف عن نقطة واحدة، وحققت ضبط من خلال مختلف الطاقات عن طريق ضبط تجويف FPI نفسها.
مضان بالرنين (RF) التحليل الطيفي، طريقة أخرى حيث تحول بصري واحد على حد سواء متحمس ومراقبتها كما يقدم وعد عالية الدقة التحليل الطيفي. القرار الطيفي يقتصر فقط من عرض الخط الطيفي لليزر ويحافظ على اتفاقية مكافحة التصحر كما كشف متعدد القنوات، حيث لا استشعار واحد فقط هو الكشف عن الإشارات ولكن عددا من بكسل CCD. هذا الكشف متعددة هو مفيد من حيث المتوسط إشارة. ويتمثل التحدي في RF الطيفي هو فصل إشارة PL من الخلفية أكبر من ضوء الليزر منتشرة، وخاصة عند قياس مستوى QD واحد. ويمكن استخدام عدد من التقنيات لخفض نسبة إشارة إلى ضوء الليزر المنتشرة، والتي تنطوي إما الاستقطاب 8، 9 المكاني أو الزماني الفصل 10من الإثارة والكشف. الأول هو استخدام المستقطبات انقراض عالية لقمع الضوء المتناثرة، ولكن هذا الأسلوب له نتائج سلبية من فقدان المعلومات الاستقطاب من PL 8 أسلوب آخر ممكن للحصول على مضان بالرنين هو مهندس نظم أشباه الموصلات التي تقترن إلى تجاويف البصرية حيث يتم فصل مكانيا الإثارة وكشف المسارات. هذا يلغي قضية الحاجة إلى حل إشارة PL من الخلفية ليزر كبيرة. ومع ذلك، يقتصر هذا الأسلوب لتصنيع نموذج معقد وهو في الموارد العامة المكثفة. 9
فئة أخرى من الطرق التي هي أيضا قادرة على حل الخلافات الطاقة دقيقة هي أن التحليل الطيفي ليزر النقي، مثل انتقال الفرق، والتي لديها مصلحة تحقيق الدقة محدودة الليزر مع المعلومات الاستقطاب كاملة. يتطلب هذا الأسلوب عادة القفل في كشف لمراقبة التغيرات ضئيلة في العابرةإشارة مهمة مقارنة بما كان عليه من الخلفية ليزر كبيرة. 11 وفي الآونة الأخيرة، والتقدم في nanofabrication أدت إلى دفعة من جزء من ضوء الليزر التي تتفاعل مع QD (ق) إلى قيم تصل إلى 20٪، وذلك إما باستخدام مادة صلبة مطابقة مؤشر العدسات الغمر أو تضمين النقاط في الدليل الموجي الكريستال الضوئية. 12
على الرغم من أن هذه الأساليب لديها القدرة على تحقيق حل طاقة عالية، وأنها تأتي على حساب معدات باهظة الثمن، تصنيع نموذج معقد وفقدان المعلومات. الأسلوب في هذا العمل يجمع بين عناصر من هذه الطرق الثلاث دون إضافة التعقيد في الأجهزة أو عينة تلفيق لإعداد PL منتظم.
وقد أظهرت الأعمال الأخيرة التي مع نظام مطياف الثلاثي في وضع مطروح، فمن الممكن تصور هيكل غرامة القميص-الثلاثي في الطيف انتقال ثنائي الفوتون من نقطة الكم جزيء (قعدتم). (13) تقسيم الطاقة تشارك في الترتيبمن عدد قليل من عشرات μeV تم حلها باستخدام وضع مطروح الثلاثي، والذي سمح لإثارة التحولات resonantly وكشف في غضون اقل من إلكترون فولت. تم استخراج المعلومات الطيفية من خلال رصد أدناه الانتقال باستخدام الفونونات الصوتية وغيرها من التحولات الكذب منخفضة الأكسيتون. ويمكن أيضا أن تطبق هذه الطريقة لحل متباين الخواص إيه الصرف تقسيم وحتى linewidth محدودة مدى الحياة من الانتقال الأكسيتون من 8 μeV و 4 μeV على التوالي كما رأينا في الشكل 1. مماثلة إلى هذه النتيجة، وسوف تركز هذه الورقة على بسيط الإعداد مطياف التي ستضم العديد من المزايا التي أساليب أخرى عالية الدقة تملك. وبالإضافة إلى ذلك CCD ستبقى كما كشف متعدد القنوات. ويمكن أيضا أن الإعداد التجريبية أن تبقى نسبية وغير مكلفة إلى حد ما إلى أساليب أخرى الطيفي عالية الدقة، ولها فائدة إضافية تتمثل في أن تعديلها بسهولة لتحقيق قياسات نقطة ارتباط واحدة. وخلافا للالنقيب نتيجةز الفونونات الصوتية ومطياف الثلاثي، والمفتاح الأساسي هو الاستفادة من الأقمار الصناعية LO-الطاقة الصوتية المرتبطة أشباه الموصلات وسبائك ذات الصلة التي تشكل عينات أشباه الموصلات. فصل الطاقة بين الأقمار الصناعية LO-الطاقة الصوتية وخط الصفر الطاقة الصوتية (ZPL) هو بناء على أمر من عشرات إلكترون فولت لهذه العينات، والسماح للاستخدام مطياف مرحلة واحدة (14). وهذا الفصل الطاقة يسمح للاستخدام من شبه المقترحة طريقة التحليل الطيفي -resonance من قبل القيادة resonantly الانتقال والرصد تحت الإثارة عن طريق الطاقة يساوي واحد فونون LO. هذه التقنية هي مماثلة لتلك التي PL الإثارة حيث يثير واحد إلى الانتقال متحمس ويراقب انتقال الدولة الأرض. 15 والفصل بين المرحلة الانتقالية يجري متحمس وأن القمر الصناعي LO-فونون يسمح باستخدام مرشحات تمرير حافة لقمع المتناثرة مطاطيا ضوء. هذه الطريقة من استخدام الأقمار الصناعية فونون يسمح لعرض الخط الطيفي لليزر قرار محدودمنذ مثيرة resonantly التحول عادة ما يكون هو المرة الوحيدة التي يصبح الانبعاثات الفضائية LO-فونون مرئية.
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
فإن الكتاب أن نعترف ألان براكر ودانيال فخذ الخنزير في مختبر بحوث البحرية لتوفير العينات التي تجري دراستها. وأيد هذا العمل (جزئيا) عن طريق التهديد الدفاع وكالة الحد، جائزة البحوث الأساسية # HDTRA1-15-1-0011، من جامعة كاليفورنيا الرحمة.
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).
