高解像度フォノンアシスト準共鳴蛍光分光
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
高解像度光学分光法は、技術、設備、複雑さ、時間、またはこれらの組み合わせのいずれかの点で要求しています。ここでは、簡単に使用できる分光器のセットアップ、標準を用いたスピン微細構造と単一量子ドット（QD）の均一な線幅のそれを超えてスペクトルの特徴を解決することのできる光学分光法を実証します。この方法は、マルチチャンネルフォトルミネセンス検出をレーザ線幅の制限された解像度の利点を組み合わせて、レーザ及び光ルミネセンス分光法の両方を組み込んでいます。このような方式は、一般的なシングルステージ分光計のものより解像度のかなりの改善を可能にします。この方法は、その基底状態遷移の共鳴励起の後に単一の量子ドットのフォトルミネッセンスの測定を支援するためにフォノンを利用します。フォノンのエネルギー差は1つが分離し、エキサイティングな量子ドットをレーザー光をフィルタリングすることができます。有利FEこの方法のatureは、大部分の研究者にアクセス可能である標準的な分光法のセットアップ、中にそのまっすぐ進む統合です。
Introduction
高解像度は新しい知識のロックを解除するための鍵です。この知識を用いて、新しい技術は、より良いセンサ、より正確な製造ツール、およびより効率的な計算装置として開発することができます。このキーの生成、しかし、多くの場合、時間または両方、資源の高コストがかかります。この問題は、電子の持ち上げ縮重が小さいスペクトルシフトは、次の遠くの星に惑星の検出につながることができます天文学にスピン解決の原子物理学からすべてのスケール全体で遍在である。1,2,3
この作品の焦点は、標準的な分光器のセットアップを使用して、それは特に半導体光学の分野に関しては、その解像限界以下のスペクトルの特徴を解決できる方法を示す上です。示す例では、いくつかのμeVのオーダーであるのInAs / GaAs量子ドット（QD）における異方性電子-正孔（EH）交換分裂のことである。4分析計Cの解像限界標準PLレーザ分光法技術を組み合わせることによって克服されます。準共鳴蛍光のこの方法は、一般的単一ステージ分光計を用いたレーザー限られた解像度を達成するという利点を有します。
単一量子ドットのPLスペクトル分析のための標準的な光学分光システムは、単一段階0.3から0.75メートルモノクロメータと励起用レーザ光源と光学素子と一緒にデバイス（CCD）検出器、電荷結合から成ります。このようなシステムは、最高の950ナノメートル付近の近赤外スペクトルにおける50μeVを解決することが可能です。統計的デコンボリューション技術を用いて、このような単一モノクロメーターの設定は、PL測定で20未満μeVを解決することができない。スペクトルである5本の解像度はまた、三重添加モードで、三重分光計を使用することによって改善することができます連続して3つのすべての格子によって分散。三重分光計は、解決可能な、高解像度の利点を有しています約10μeV。代替構成、三重減法モードでは、最初の2つの格子は0.5未満meVでによって励起と検出とを分離することができるという追加機能を与え、バンドパスフィルタとして振る舞います。トリプル分光計の欠点は、高価なシステムであることです。
興味のある方法を提示する前に、我々は簡単に追加の複雑さと、優れたスペクトル分解能を達成するため、他の実験的アプローチを議論し、単一量子ドットの微細構造を解決することができます。これらの方法の要素は、提示された方法に関連しています。そのような方法は、単一の分光計設定の検出経路におけるファブリ・ペロー干渉計（FPI）を添加する。6解像度がFPIのフィネスで設定され、この方法を使用します。したがって、分光器の解像度が追加複雑さと低い信号強度を犠牲にして、1μeVに改善される。7干渉法は、一般operatiを変更しますCCDカメラによる分光計の上で、効果的に各種のエネルギーを介して単一点検出器、およびチューニングになっはFPI空洞自体を調整することによって達成されます。
共鳴蛍光（RF）分光法、単一の光学遷移は両方の励起され、監視、高分解能分光の約束を提供しています別の方法。スペクトル分解能は、レーザ線幅によって限定されるものではないただ一つのセンサ信号が、CCDの画素数を検出しているマルチチャンネル検出器としてCCDを保持しています。このマルチチャネル検出は、信号の平均化の点で有利です。 RF分光法における課題は、単一のQDレベルで測定する場合は特に、散乱レーザー光のより大きな背景からのPL信号を分離されています。多くの技術が関与するいずれかの偏光8散乱したレーザ光 は、9の空間的または時間的分離10への信号の比率を低下させるために使用することができます励起および検出。最初は散乱光を抑制するために高い吸光偏光子を使用することであるが、この方法は、PLの偏光情報を失うことの不利な結果を有する。8共鳴蛍光を得るための別の可能な方法は、光学キャビティに結合されている半導体装置を設計することです励起および検出経路は、空間的に分離されています。これは、大規模なレーザーバックグラウンドからのPL信号を解決することの問題を解消します。しかし、この方法は、集中的な一般的な資源であり、複雑なサンプルの製造に限定される。9
また、微小なエネルギーの差を解消することができる方法の別のクラスは、完全な偏光情報を有するレーザ制限解像度を達成するという利点を有する差動伝送、純粋なレーザー分光法のことです。この方法は、典型的には、トランスで微小変化を観察するために、ロックイン検出を必要とします大型レーザーバックグラウンドに比べ使命信号。11最近、微細加工の進歩は、いずれかを使用して屈折率整合固体により、20％までの値にQD（複数可）と相互作用し、レーザ光 の一部のブーストにつながっていますイマージョンレンズやフォトニック結晶導波路のドットを埋め込 む。12
これらの方法は、高エネルギー分解能を達成する能力を有するにもかかわらず、それらは、高価な機器のコストでの情報の複雑なサンプルの製造及び損失来ます。この作品での方法は、通常のPLのセットアップに計装またはサンプルの製造に複雑さを加えることなく、これらの三つの方法からの要素を兼ね備えています。
最近の研究は、減法モード三重分析計システムと、量子ドット分子（QDM）の二光子遷移スペクトルにおける一重トリプレット微細構造を視覚化することが可能であることが示されている。13程度の関与エネルギー分裂をμeVの十数の共鳴遷移を励起し、meVで未満以内に検出することが許可されたトリプル減法モードを使用して解決しました。スペクトル情報は、音響フォノンおよび他の低平地励起子遷移を使用して、トランジションの下に監視することにより抽出しました。 図1に見られるように、この方法は、それぞれ8μeVと4μeV、の励起子遷移の異方性えっ交換分裂、さらには寿命が限定された線幅を解決するために適用することができる。このような結果と同様に、この論文では、単純なに焦点を当てます他の高解像度の方法が持つ利点の多くを組み込む予定分光器のセットアップ。さらにCCDは、マルチチャネル検出器として残ります。実験はまた、他の高分解能分光法に比べかなり安価に保ち、容易に単一点の相関測定を達成するために変更されるという利点を有することができます。結果usinとは異なり、グラム音響フォノンとトリプル分光器は、基本の鍵は、半導体試料を構成する半導体および関連合金に関連したLOフォノン衛星を利用することです。 LOフォノンの衛星とゼロフォノンライン（ZPL）との間のエネルギー分離は、単段分光計の使用を可能にする、このような試料についてmeVで数十程度である。14このエネルギー分離が提案されている準の使用を可能に共鳴遷移を駆動し、1 LOフォノンに等しいエネルギーによる励起の下に監視することによって-resonance分光法。この技術は、15。つ励起遷移に励起し、基底状態遷移を監視PL励起のそれと類似している遷移の間の分離は、励起されるとLOフォノン衛星のは抑制するエッジパスフィルタの使用を可能に弾性散乱光。フォノン衛星を使用するこの方法は、レーザ線幅制限された解像度を可能にします共鳴エキサイティングなので、移行は、LOフォノン衛星放出が見えるようになることを唯一の時間は、一般的です。
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
著者は、研究されたサンプルを提供するための海軍研究所でアランBrackerとダニエルギャモンを承認したいと思います。この作品は、カリフォルニア大学マーセド校に、国防脅威削減局、基礎研究賞＃HDTRA1-15-1-0011によって（部分的に）サポートされていました。
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 |
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