Resonans fluorescens på en InGaAs Quantum prikken i Planar skålen ortogonale eksitasjon og gjenkjenning
Summary
Resonans magnetisering av en enkelt selv montert quantum prikk oppnås ved hjelp av en eksitasjon modus ortogonale til fluorescens samling modus. Vi viser en metode bruke waveguide og Fabrys-Perot moduser av en plan microcavity rundt kvante prikker. Metoden gir full frihet i gjenkjenning polarisering.
Abstract
Utføre samtidige resonans eksitasjon og fluorescens oppdagelsen er viktig for quantum optisk målinger av kvante prikker (QDs). Resonans eksitasjon uten fluorescens oppdagelsen-for eksempel en differensiell overføring måling-kan fastslå noen egenskaper av utslipp, men tillater ikke programmer eller målinger basert på slippes ut fotoner. Måling av Foton sammenhenger, observasjon av Mollow trilling og realisering av enkelt Foton kilder alle krever for eksempel samling av fluorescensen. Usammenhengende eksitasjon med fluorescens oppdagelsen-for eksempel ovenfor bandet-gap eksitasjon-kan brukes til å opprette enkelt Foton kilder, men forstyrrelse av omgivelsene takket magnetisering reduserer indistinguishability av fotoner. Enkelt Foton kilder basert på QDs vil måtte være resonantly glade for å ha høy Foton indistinguishability, og samtidig samling av fotoner vil være nødvendig for å gjøre bruk av dem. Vi viser en metode for å opphisse resonantly en enkelt QD innebygd i et plan hulrom ved å koble eksitasjon bjelken i denne hulrom cleaved ansiktet av utvalget mens samle fluorescens langs prøvens overflaten normal retning. Ved å nøye eksitasjon strålen til waveguide modus av hulrom, kan eksitasjon lyset par i hulrom og samhandle med QD. Spredte fotoner kan par til Fabrys-Perot modus hulrom og flukt i overflaten normal retning. Denne metoden tillater full frihet i gjenkjenning polarisering, men eksitasjon polarisering er begrenset av retning forplantning eksitasjon strålen. Fluorescens fra wetting laget inneholder en veiledning for å justere samling banen med hensyn til eksitasjon strålen. Orthogonality av eksitasjon og oppdagelsen modiene kan resonans magnetisering av en enkelt QD med ubetydelig laser spredning bakgrunn.
Introduction
Resonans magnetisering av en enkelt quantum emitter kombinert med fluorescens deteksjon var en langsiktig eksperimentelle utfordring hovedsakelig på grunn av manglende evne til å diskriminere spectrally den svake fluorescensen fra sterk eksitasjon spredning. Dette problemer, men har blitt vellykket overvunnet i det siste tiåret av to ulike tilnærminger: dark-feltet AC confocal eksitasjon basert på polarisering diskriminering1,2,3,4 ,5og ortogonale eksitasjon søk basert på romlige modus diskriminering6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Begge tilnærminger vise sterke betydelig undertrykke laser spredning og dermed er allment vedtatt i forskjellige eksperimenter, for eksempel observasjon av spin-fotonet forviklinger5,15, 16, demonstrasjon av kledd stater2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26og sammenhengende manipulering av trange spinner3,27,28,29,30. Verken tilnærming kan brukes universelt på enhver situasjon; hver er begrenset til noen bestemte betingelser. Mørk-feltet teknikken utnytter polarisering grad av frihet av fotoner å undertrykke eksitasjon laser spredning. Denne teknikken har flere fordeler. For eksempel, er det ingen krav for en veldefinert waveguide modus, som lar AC confocal-bare implementering. AC confocal implementering gir sirkulært polarisert eksitasjon og muligens strammere fokus for eksitasjon bjelken på quantum emitter, noe som resulterer i høyere eksitasjon intensitet. Imidlertid denne polarisering-selektiv metoden begrenser oppdagelsen polarisering skal ortogonale til eksitasjon polarisering, og dermed hindrer fullstendig karakteristikk av polarisering egenskapene til fluorescensen. Sammenligning beholder romlige modus diskriminering fullstendig frihet oppdagelsen polarisering ved å benytte orthogonality skyver overføring av eksitasjon og oppdagelsen bjelker å undertrykke laser spredning4. Begrensninger av denne teknikken er nødvendigheten av en waveguide struktur i utvalget for å gi en eksitasjon modus ortogonale til gjenkjenning modus og begrensning av eksitasjon polarisering skal vinkelrett retning forplantning strålen .
Her viser vi en protokoll for å konstruere en gratis-plass-baserte ortogonale eksitasjon-gjenkjenning oppsett for resonans fluorescens eksperimenter. Sammenlignet med det banebrytende arbeidet på romlige modus diskriminering der en ble brukt til å par lys i hulrom6, denne protokollen gir en løsning på plass, og krever ikke kinetic komponenter skal monteres enten prøven eller fiber i kryostaten. Fin kontroll over retninger av eksitasjon strålen og gjenkjenning banen er manipulert av optikk utenfor kryostaten, mens asfærisk singlet linser fokuserer mål i det kalde regionen av kryostaten. Vi gir representant bilder av viktige justering trinnene under resonans eksitasjon og påvisning av fluorescens fra en enkelt quantum prikk.
Prøven brukt dette er vokst av molekylære strålen epitaxy (MBE). InGaAs quantum prikkene (QDs) er innebygd i en GaAs spacer som er avgrenset av to distribuerte Bragg reflektorer (DBRs), som vist i zoome inn visningen i eksemplet i figur 1. GaAs mellomrom mellom DBRs fungerer som en waveguide, der eksitasjon strålen er begrenset av total intern refleksjon. DBRs også fungere som høy Reflektivitet speil for wavevectors som er nesten normalt å prøve flyet. Dette utgjør en Fabrys-Perot modus som QDs par når emitting fluorescens. Fabrys-Perot modus må resonans med utslipp bølgelengde λ av QDs, som krever GaAs avstandsstykket være heltall multiplum av λ/n, der n er indeks av refraction av GaAs. For denne demonstrasjonen, er tykkelsen på GaAs avstandsstykket valgt til å være 4λ/n, ca 1 µm, slik som å være nær Diffraksjon begrenset størrelsen på hendelsen eksitasjon strålen. En smalere spacer vil resultere i en lavere kopling effektiviteten av eksitasjon bjelken i waveguide modus.
Eksperimentell oppsettet vises i figur 1. Å maksimere kopling effektiviteten, en asfærisk enkelt-linsen målet Eobj med numerisk blenderåpning NA = 0,5 og brennvidde på 8 mm er valgt å fokusere eksitasjon strålen på cleaved ansiktet av utvalget. Funksjon Keplerian teleskopet (komponert av linsen par E1 og E2) i eksitasjon banen er todelt: (1) å fylle blenderåpningen på eksitasjon målet Eobj slik eksitasjon strålen er tett fokusert for bedre modus-matchende til waveguide (i Denne erkjennelsen collimated strålen diameter er 2,5), og (2) å gi tre grader av frihet til å manøvrere fokuspunkt for eksitasjon bjelken på cleaved ansiktet til prøven. Linsen E1 er montert på en X-Y translasjonsforskning mount som gir de to gradene av frihet til å skifte eksitasjon stedet fritt i flyet kløyvde eksempel ansiktet. Linsen E2 er montert på en ikke-roterende zoom boliger som gir frihet til å velge dybden på fokuspunkt i utvalget. Disse tre grader av frihet tillate oss å optimalisere resonans magnetisering av en enkelt QD uten bevegelse av prøven selv.
I fluorescens samling banen brukes en lignende linsen konfigurasjon (Lobj, L1 og L2) til å tillate oppdaging av fluorescens fra ulike deler av prøven. Lyset fra prøven er fokusert av en av to rør linser på enten en IR-sensitive kamera (Lcam) eller ved inngangen slit av spectrometer (Lspec). Bevegelse av L1 langs z-aksen justerer fokus av bildet, og lateral oversettelse av L2 gjør at bildet til skanning flyet av prøven. Brennvidder av L1 og L2 er like så deres forstørrelse er enhet. Dette gjøres for å maksimere området L2 kan oversettes før vignettering.
For å lette justering og plasseringen av en QD, er en hjemme-bygget illuminator basert på Kohler belysning innlemmet i stilling, som vist i figur 1. Formålet med Kohler belysning er å gi jevn belysning til prøven og sikre at en jegmage av belysning lyskilden vises ikke i utvalget bildet. Linsen konfigurasjonene av både illuminator og samling banen er nøye utformet for å skille konjugat bilde flyene prøven og lyskilden. Hver linse i samlingen banen er skilt fra sine naboer på summen av deres brennvidder. Dette sikrer at uansett hvor prøven bildet er i fokus-som på sensoren i kameraet-lyskilde bildet er helt defokusert. Tilsvarende der lyskilden bildet er i fokus – som tilbake fokalplanet av målet-prøven bildet er helt defocused. Lyskilden er en kommersiell lys emitting diode (LED) emitting på 940 nm. Aperture membranen gjør justering av belysning intensitet, og feltblenderen bestemmer synsfelt atmosfære. Tastene til å realisere lysning er å sette avstanden objektivet K4 og L2 skal summen av brennvidder av de to linsene, og for å sikre at blenderåpning lobj er ikke overfylt av belysning. I denne protokollen brukes også belysning å optimalisere avstanden mellom Lobj og prøven.
Målet Lobj og enten rør objektivet gir en forstørrelse på 20 x på kameraet eller spectrometer. Linsen paret L3 og L4 mellom Lobj og Lspec danner en annen Keplerian teleskop som gir en ekstra 4 x forstørrelse i bildet på kostnad – sammen apparat (CCD) av spectrometer. Tillegg av linser L3 og L4 resultater i en total forstørrelse av 80 x, som er nødvendig å skille romlig fluorescens fra nærliggende QDs. L3 og L4 er montert på bla mounts til rette for bytte av forstørrelsen fordi 20 x forstørrelse gir en større synsfelt på prøven.
Overlappende synsfelt samling banen med banen til eksitasjon strålen gjennom waveguide, er utslipp fra kontinuum av quantum dot wetting lag nyttig. En kan bestemme utslipp Bølgelengden av wetting laget ved å måle utslipp spekteret av prøven under ovenfor bandet-gap eksitasjon. Ditt eksempel wetting lag utslipp skjer på ca 880 nm på 4,2 K. Ved å koble en cw laserstrålen på 880 nm i waveguide av utvalget, kan man observere en strek mønster dannet av PL fra wetting laget, som vises i på videoen. Strek avslører overføring banen til eksitasjon lyset som har vært kombinert i waveguide. Tilstedeværelsen av denne strek kombinert med evne å image overflaten av prøven gjør justering grei.
Protocol
Representative Results
Discussion
De avgjørende skritt i protokollen er: modus-samsvarende og justering av eksitasjon strålen til waveguide modus; og riktig justering og fokusere av samlingen optikk. De vanskeligste delene av disse trinnene er innledende justering; optimalisere koblingen av en allerede justerte oppsett er relativt enkelt. Overlappende innsamling og eksitasjon områdene er et skritt som er enkelt med evnen å image utvalget på kameraet, men er svært vanskelig uten denne muligheten. For å få høy kvalitet tenkelig, er riktig Kohler b…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å erkjenne Glenn S. Solomon for å gi prøven. Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation (DMR-1452840).
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).
