著者らは、電子顕微鏡イメージングのためのエモリー大学の統合顕微鏡コアで博士香港李に感謝したいと思います。この作品は、NIHの助成金（PN2EY018244、R01 CA108468、U54CA119338、そして1K99CA154006-01）が主催した。

以下の合成手順は、標準的な空気のない技術や真空/不活性ガスマニホールドの使用を含む、詳細な方法論は、10と11の参考文献に記載されています。すべての潜在的に有毒で引火性の物質のMSDSは、使用する前に相談する必要があり、すべての可燃性および/または空気に不安定な化合物は、グローブボックスやグローブバッグ内セプタム密封バイアルに分注しなければならない。 1。水銀カドミウムセレン化水銀（Hg X CD 1-X SE）量子ドットのコアの合成<ol><li>トリオクチルホスフィン（TOP）にセレンの0.4M溶液を調製します。 50ミリリットルの3つ口フラスコにセレン（0.316グラム、4ミリモル）を加え、その後、避難及びアルゴンシュレンラインを使用して記入してください。空気のない状態（乾燥窒素またはアルゴン雰囲気）、10mlのTOPを追加して、100℃に加熱下で、無色透明の溶液を得た1時間攪拌した。室温への解決策を冷却し、脇フラスコを設定します。 </li><li> 250mlの3つ口フラスコに、酸化カドミウムを追加（CdOの0.0770グラム、0.6ミリモル）、テトラデシルホスホン酸（TDPA、0.3674グラム、1.32 mmol）、およびオクタデセン（ODE、27.6ミリリットル）、攪拌しながらシュレンクラインを使用してソリューションを避難させる。 100℃まで温度を高め、低沸点不純物を除去するために、さらに15分間避難してください。 </li><li>アルゴンまたは窒素ガス下で、完全にCDOを溶解させるために1時間300℃に混合物を加熱する。解決策は、無色透明に赤みを帯びた色に変わります。室温への解決策を冷やす。 </li><li> 、カドミウム溶液にヘキサを（HDA、7.0グラム）を加え70℃に加熱して、避難してください。一定の圧力が達成されれば、100から110℃、30分間加熱還流液に温度を上昇させる。不活性ガスにシュレンラインバルブを切り替えて、ソリューションに直接熱電対を挿入します。 </li><li>空気を含まない条件下で、溶液中にジフェニルを（DPP、100μl）を追加し、310℃まで温度を上げる0.4MのTOP-Seの溶液を7.5ミリリットルを削除（3ミリモルセレン）16ゲージの針に取り付けられた使い捨てプラスチックシリンジインチ</li><li>温度は310℃で平衡化したら、0に温度調節器をセット℃、迅速カドミウム溶液に直接TOP-Seの溶液を注入する。溶液は黄色〜オレンジ色に無色から変更され、温度はすぐにドロップすると、〜280℃に再び増加します温度が200℃未満になるまで反応の1分後、加熱マントルからフラスコを取り外し、空気の流れを迅速クール</li><li>温度が約40に達したとき℃、30ミリリットルをヘキサンで希釈し、残りのカドミウム前駆体のほとんどは、溶液から沈殿する。遠心分離（5,000×g、10分間）することにより、この沈殿物を除去。 </li><li> 6 50mlポリプロピレンコニカル遠心チューブの各々において、40mlのアセトン、遠心（10分間5000×g）であり、慎重にデカントで原油ナノ結晶溶液12mlを希釈し、上清を捨てる。 </li><li> nanocrを溶かすヘキサン中ystalペレット（25ミリリットル全容積）。上相を保持し、メタノールの等量でこのソリューションを3回抽出する。 3回目の抽出については、メタノールの体積は約200μMで純粋CdSe量子ドットの濃ヘキサン溶液を得るために〜15mlに調整することができる。この反応の典型的な収率は2.3ナノメートル（50〜60％の反応収率）の直径を有するCdSeナノ結晶の3モルである。 </li><li> UV-Vis吸収スペクトルを測定し、マルヴェイニーや同僚12のサイズにフィットするチャートとBawendiや同僚13の絶滅の相関関係を調べることによってナノ結晶径と濃度を決定する。詳細については、付録Aを参照してください。 </li><li>マーキュリーの陽イオン交換：ナノ結晶が部分的に吸収し、蛍光発光を赤にシフトする水銀と交換することができる。 3ミリリットルヘキサン、2 mlのクロロホルム、1ミリリットル200μMのCD：撹拌棒を備えた20 mlのガラスバイアル（この反応は、必要に応じてスケーリングされる）順序で一緒に次のように混ぜるSE QD溶液（200 nmol）を、15μlのオレイルアミン（OLA）、クロロホルム中のHg（OT）2の0.1M溶液500μl。マーキュリーoctanethioate（HgOT 2）（付録参照）をメタノールに酢酸水銀とオクタンチオールを反応させることにより調製することができる。陽イオン交換反応が進行するにつれて、赤方偏移の程度は、紫外可視吸光光度法で監視することができる。所望の吸収バンドが達成された後、350 nmのナノ結晶溶液の吸収を測定し、ナノ結晶の濃度は（この例では30.7μM）で変更されていないことを前提として、新たな吸光係数を決定する。未反応の水銀を除去することにより、反応をクエンチ：5ミリリットルデカン、10mlのヘキサン、7 mlのメタノールを追加して、ナノ結晶を含む上相を維持し、解決策を抽出します。ヘキサンとメタノールでさらに2回抽出し、上相が約7ミリリットルになるようにメタノールの音量を調整します。相が分離することが遅い場合は、溶液（5000×gで遠心分離し、することができる10分）。沈殿を誘導するために40mlのアセトンに続いてナノ結晶に100μlのTOP、OLAを100μl、100μlのオレイン酸を追加します。遠心分離によりナノ結晶を収集し、3 mlのヘキサン中に分散。不溶成分を除去し、350 nmでの新しい吸光係数を用いて、再びナノ結晶の濃度を決定するために、再び遠心分離します。次のステップに進む前に、室温で少なくとも24時間エージングするナノ結晶溶液を許可します。 </li></ol> 2。カドミウム硫化亜鉛の成長（CD YのZn 1-Y S）シェル<ol><li> 50ミリリットルの3つ口フラスコに0.1 M殻前駆体溶液を準備します。カドミウム前駆体：酢酸カドミウム水和物（230.5 mg、1 mmol）を、10mlのオレイルアミン（OLA）。亜鉛前駆体：酢酸亜鉛（183.5 mg、1 mmol）をおよびOLA 10ミリリットル。硫黄前駆：硫黄（32.1 mg、1 mmol）を10ミリリットルとODE。真空下で、明確な解決策を得るために1時間還流し、それぞれの溶液を加熱した後、アルゴンで充電してください。硫黄溶液月室温に冷却することが、カドミウムおよび亜鉛前駆体は、約50℃に維持されているシェル前駆体の量の計算は、基準14に記載されています。 </li><li>水銀X CD 1-X SE量子ドット（120ナノモル、2.3 nmの直径）は、ODE（2 ml）に溶解し、トリオクチルホスフィンオキシド（TOPO、250mg）を3口フラスコに入れる。シュレンク·ラインを使用して室温でヘキサンをオフに避難してください。 100℃、15分間還流する温度を上げます。アルゴンや窒素ガスにシュレンラインバルブを変更して、ナノ結晶溶液の熱電対を挿入します。 </li><li> 120に温度を上げ℃、硫黄前駆体溶液の0.5単層（140μl）を追加し、反応は15分​​間続行できるようになります。小アリコート（&lt;50μl）を蛍光および/またはUV-Vis吸収分光光度計を用いて反応の進行状況を監視するために、ガラスシリンジを用いて除去することができる。 140に温度を上げ℃、カドミウム前駆体溶液の0.5単層を追加します（140μL）を加え、反応を15分間進行させる。反応液に500μlの無水OLAを追加します。 </li><li> 160℃の各添加の間、15分で170℃の亜鉛前駆体溶液の等量続い硫黄前駆体溶液の0.5単層（220μl）を°Cを追加。その後、180°Cの硫黄前駆体溶液（150μL）および15分インターバルで亜鉛前駆体溶液の0.25単層を追加します。 </li><li>室温への解決策を冷却して再ナノ結晶の数は（3.8 ml反応液中の120 nmol）が変更されなかったと仮定し、UV-Visスペクトルを使用して、これらの粒子のための新たな吸光係数を計算します。冷凍庫で粗混合物として反応液を保管してください。セクション1.8と1.9で説明したのと同じ方法を使用して、必要に応じてナノ結晶が融解し、精製することができる。 </li><li>ナノ結晶は、電子顕微鏡、UV-Vis吸収分光、蛍光分光法を用いて特徴付けることができる。量子収率はかもしれないリファレンス15のメソッドを使用して、既知の標準と比較して絶対的に積分球を用いて、または比較的計算。 </li></ol> 3。相間移動<ol><li> 50ミリリットルの3つ口フラスコに、コア/シェル水銀X CD 1-X SE / CD YのZn 1-Y S量子ドット（5ミリリットル、20μM）を追加し、精製したドライフィルムを得るために、高真空下でヘキサンを除去する。 ℃のスラリーを80ナノ粒子膜と熱に無水ピリジン（3ミリリットル）を追加し、アルゴンでフラスコを埋める1〜2時間のコースでナノ粒子が完全に溶解します。 </li><li>液に1 - チオグリセロール（1ミリリットル）を加え、80℃で攪拌℃で2時間インキュベートする。その後、室温まで冷却し、解決策をチオグリセロールを脱プロトン化し、トリエチルアミン（0.5 ml）を加える。 30分間かき混ぜる。解決策は、この混合溶媒中の極性ナノ結晶の溶解性が悪いが原因でトリエチルアミンを添加した後に曇ることがあります。 </li><li> 50mlコニカル遠心管の続きにQDのソリューションを転送20mlのヘキサンと20 mlのアセトンの混合物をaining、よく混ぜる。遠心分離（5,000×g、10分間）を介してナノ結晶沈殿を分離して、アセトンでペレットを洗浄。 </li><li>浴超音波処理とDMSO中QDペレットを（5ml）に溶解した後、可能な凝集物を除去するために遠心分離（7,000×g、10分間）。 UV-Vis吸収スペクトルから、ナノ粒子の濃度を測定します。表面チオールがゆっくりと空気中の周囲条件下で酸化させることができるように純粋な量子ドットのこのソリューションは、3時間以内に使用してください。 </li><li> DMSOで10μm以下にQDの溶液を希釈し、50 mlのフラスコに移す。 DMSO中のチオールポリアクリル酸（付録に記載されている合成）の5 mg / mlの溶液を調製します。 5分間室温で溶液を攪拌して脱気しながらQD溶液に滴下してポリマー溶液（nmolの量子ドットあたり0.15ミリグラムポリマー）を追加します。 </li><li>アルゴン80〜熱°Cで90分間持つQD /ポリマー溶液をパージします。その後、室温まで冷却ソリューションをdは滴下50mMホウ酸ナトリウム、pH8の等量のを追加します。 10分間かき混ぜる。 </li><li> 50mMホウ酸ナトリウム、pH8中透析（20kDaのカットオフ）を介して量子ドットを浄化した後、遠心フィルター（10kDaのカットオフ）を使用して粒子を濃縮。 UV-Vis吸収スペクトルから濃度を決定する。 </li></ol> 4。 PEGのコーティング<ol><li>攪拌棒を備えた4 mlのガラスバイアル中で、750ダモノアミノ - ポリエチレングリコール（30 mgを、40マイクロモル）の40,000 Xモル過剰のホウ酸緩衝液中の1 nmolの量子ドットを混在させる。特定の化学物質の機能がナノ結晶（ 例えばヒドラジドまたはマレイミド）に追加する場合には、これはヘテロ二アミノ-PEGとアミノ-PEG（30％のモル分率は、典型的にはうまく機能）の一部を置き換えることにより導入することができる。ホウ酸緩衝液と1μMのナノ結晶溶液を希釈します。必要に応じて、この反応は、スケーリングすることができる。 </li><li> DMSO中DMTMMた（20mg、72マイクロモル）（144μl）を新鮮な溶液を調製します。このソリューションは簡単に加熱することができるU暖かい水道水の流れをNDERまたは完全DMTMMを溶解させるために風呂に沈めソニケーター。迅速QDソリューションにこの0.5MのDMTMMソリューションの25000 Xモル過剰（50μl）を加え、30分間室温でかき混ぜる。 </li><li> PEGを用いてナノ結晶表面を飽和させるために4.2 4回以上繰り返します。最後に、反応をクエンチし、200μlの1Mトリス緩衝液を追加して、透析、遠心フィルタ、または遠心分離を使用してナノ結晶を精製する。 </li><li>ナノ結晶は、単分散、流体力学的サイズ、液体クロマトグラフィー、アガロースゲル電気泳動、蛍光顕微鏡を用いて表面電荷のために分析することができる。自動液体クロマトグラフィーシステム（GE AKTAprime Plus）を使用して流体力学的サイズとサイズ分布を決定するには、260または280 nmでスーパーロース6カラム、PBS緩衝液で0.5 ml / minの流速、および吸収検出を使用しています。分子量標準のものとナノ粒子の溶出時間を比較します。アガロースゲルelectropho用抵抗は、50mMホウ酸ナトリウム緩衝液（pH8.5）または50mMリン酸ナトリウム緩衝液（pH7.4）、0.5％アガロースゲルを準備し、ウェルに10％グリセロールおよび負荷で1μMの試料を混合し、30分間、100Vで実行。紫外線ハンドワンドまたはUVトランスイルミネーターを用いたゲルと蛍光励起用のイメージナノ結晶を。蛍光顕微鏡を用いた単一分子レベルで画像ナノ結晶に、カバーガラス上に溶液2.5μlをドロップし、10mMリン酸緩衝液で0.2 nMの粒子を希釈し、慎重に広めるために液体ビーズの上に別カバースリップを置くカバーガラスの間にフィルム。画像400から580 nmおよび電子増倍CCDカメラの間の波長での励起による落射蛍光または全反射モードのいずれかで高開口数対物（理想的には少なくとも1.40）を用いて、表面に結合した粒子を。正確な撮像パラメータは、顕微鏡のセットアップの間で異なります。 </li></ol>

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特別な利害関係は宣言されません。

従来のCdSe量子ドットに比べて、三元合金のHg X CD 1-X SEナノ結晶は、独立して大きさと蛍光波長に同調させることができる。サイズは、第1 CdSeナノ結晶コアの合成時に選択され、蛍光波長は、実質的にナノサイズ9を変えない二水銀カチオン交換工程で選択されます。精製された水銀X CD 1-X Seのナノ結晶がキャッピング前に、少なくとも24時間室温でインキュベートする?...

<table border="1"><tbody><tr><td> 試薬の名称 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> コメント（オプション） </td></tr><tr><td>セレン</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 229865 </td><td></td></tr><tr><td>トリ-n-オクチル</td><td>ストレム</td><td> 15から6655 </td><td>空気中で不安定で、97％の純度</td></tr><tr><td>酸化カドミウム</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 202894 </td><td>非常に有毒：使用注意</td></tr><tr><td>テトラデシルホスホン酸</td><td> PCIの合成</td><td> 4671-75-4 </td><td></td></tr><tr><td>オクタデセン</td><td> Alfa Aesar社</td><td> L11004 </td><td>工業銘柄</td></tr><tr><td>ヘキサ</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> H7408 </td><td></td></tr><tr><td>ジフェニル</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 252964 </td&gt; <td>自然発火性の</td></tr><tr><td>酢酸水銀</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 456012 </td><td>非常に有毒：使用注意</td></tr><tr><td> 1 - オクタンチオール</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 471836 </td><td>悪臭</td></tr><tr><td>オレイン酸</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> W281506 </td><td></td></tr><tr><td>酢酸亜鉛</td><td> Alfa Aesar社</td><td> 35792 </td><td></td></tr><tr><td>酢酸塩水和物カドミウム</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 229490 </td><td>非常に有毒：使用注意</td></tr><tr><td>オレイルアミン</td><td>フィッシャー·サイエンティフィック</td><td> AC12954 </td><td>空気中で不安定である</td></tr><tr><td>硫黄</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 344621 </td><td></td></tr><tr><td>トリオクチルホスフィンオキシド</td><td>ストレム</td><td> 15から6661 </td><td> 99パーセント</td></tr><tr><td>ピリジン</td><td> VWR </td><td> EM-PX2012から6 </td><td>無水</td></tr><tr><td>チオ</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> M1753 </td><td>悪臭</td></tr><tr><td>トリエチルアミン</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 471283 </td><td>無水</td></tr><tr><td>透析チューブ</td><td>スペクトラムラボ</td><td> 131342 </td><td> 20kDaのカットオフ</td></tr><tr><td>遠心ろ過機</td><td>ミリポア</td><td> UFC801024 </td><td> 10kDaのカットオフ</td></tr><tr><td>モノアミノ-PEG </td><td>ラップPolymere </td><td> 12 750から2 </td><td> 750ダ</td></tr><tr><td> DMTMM、4 - （4,6 - ジメトキシ-1,3,5 - トリアジン-2 - イル）-4 - メチルモルホリニウムクロリド水和物</td><td> Alfa Aesar社</td><td> H26333 </td><td></td></tr><tr><td> AKTAprimeプラスクロマトグラフィーシステム</td><td> GEヘルスケア</td><td></td><td></td></tr><tr><td>スーパーロース6 10/300 GLカラムクロマトグラフィー</td><td> GEヘルスケア</td><td> 17-5172-01 </td><td></td></tr><tr><td>アガロース、OmniPur </td><td> VWR </td><td> EM-2120 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>付録 水銀octanethiolateの合成 ：ゆっくり1 -オクタンチオール（3当量）を、室温でメタノール中の水酸化カリウム（3当量）の撹拌溶液に酢酸水銀（1当量）のメタノール溶液を加える。濾過により水銀（II）octanethiolate沈殿を分離し、真空下で乾燥した後、メタノールで2回洗浄し、一度エーテルで、と。 多座ポリマーの合成 ：30分間アルゴンを150ミリリットルの三口フラスコと泡で25mlのジメチルホルムアミド（DMF）中のポリアクリル酸（1g、1773 Da）を溶かす。 10mlのDMF中のシステアミン（374ミリグラム、4.87 mmol）の無水溶液を加える。激しく撹拌しながら室温では、ゆっくりと無水ジイソプロピルを追加（トリエチルアミン（170μL、1.22 mmol）を加え、反応を60℃で72時間進行させる℃に続いて30分、オーバーDIC、736ミリグラム、5.83 mmol）を反応を停止させ、室温で2時間撹拌し（501ミリグラム、6.41 mmol）のメルカプトエタノールを追加します。ロータリーエバポレーターを介してDMFを除去し、氷冷アセトンの2:1混合物を添加してポリマーを単離：続いて遠心分離し、クロロホルム。ジエチルエーテル、リピートで再度沈殿〜5ミリリットル無水DMF、フィルター、中のポリマーを溶かす。アルゴン下で真空や店舗で製品を乾燥させてください。 CdSeコア径の決定 ：UV-Vis吸収スペクトルから最長波長のピーク（ 例えば 図2a中のCdSeのためのおよそ498 nm）である第一励起子ピーク（λ、nm単位）の波長を決定し、使用マルヴェイニーや同僚12の曲線をサイジング： <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq1.jpg" alt= &quot;式1&quot; /&gt; CdSeナノ結晶の濃度の測定 ：CdSeナノ結晶の光学的に透明な液のバックグラウンド減算UV-Visスペクトルから、350nmの波長での吸光度を決定します。連続希釈液は、光の吸収はBeerの法則の線形範囲内にあるかどうかを判断するために使用できます。ナノ結晶の濃度は（QD、M中）から次の式にナノ結晶粒径（D、nm単位）、光吸収値（3SA）、およびキュベット·パスの長さ（cm単位リットル ）を接続することによって決定することができるBawendiや同僚13の経験的相関： <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq2.jpg" alt="式（2）" /></td></tr></tbody></table>

compact quantum dots for single-molecule imaging

1分子イメージングは、生体分子機能のメカニズムを理解するための細胞生物学1-4根底にある分子の挙動の空間的および時間的異質性を可視化するための重要なツールです。画像興味のある個々の分子には、それは一般的に蛍光タグ（染料、タンパク質、ビーズ、または量子ドット）にコンジュゲートと落射蛍光または全内部反射蛍光（TIRF）顕微鏡で観察しています。色素や蛍光タンパク質は何十年​​も蛍光イメージングの主力となっているが、それらの蛍光は、信号が完全に失われる前に、観測の数秒しかもたらして、個々の分子を観察するために必要な高い光子フラックス下では不安定である。ラテックスビーズと色素標識ビーズが改善された信号安定性を提供しますが、有害な研究対象の分子の拡散挙動を変更することができます大幅に大きい流体力学的サイズを犠牲にして。 ntent &quot;は&gt;量子ドット（QD）は、これら二つの問題が政権の間のバランスを提供します。これらのナノ粒子は半導体材料で構成され、光分解5〜並外れた耐性を有する流体力学的にコンパクトなサイズで設計することができるため、近年、量子ドットは有効に尽力されました単一分子レベルでの複雑な高分子の挙動の長期観測。しかし、これらの粒子はまだそのような彼らのサイズがまだ大きすぎる4,6細胞質および神経シナプス間隙などの混雑した環境での分子拡散障害を示すことが見出された、7。 コロイド安定性、光安、明るさ、過去8,9にコンパクトQDの効用を妨げてきた非特異的結合に対するオフセットバランスを取りながら、最近我々は、コアおよび流体力学的サイズを最小化するための量子ドットの表面コーティングを設計した。この記事の目的は、実証することである絶縁カドミウム亜鉛Y 1-Y Sシェル、短いポリエチレングリコールで修飾された多座配位高分子でさらに被覆（でコーティングされた合金化水銀X CD 1-X SEのコアで構成され、これらの最適化されたナノ結晶の合成、修正、および特性PEG）鎖（ 図1）。従来のCdSeナノ結晶と比較して、水銀X CD 1-X SE合金は強化された細胞内の信号対雑音、非細胞毒性可視波長での励起のために赤と近赤外波長の蛍光、蛍光の大きい量子収率を提供します。多座ポリマーコーティングは、流体力学的サイズを最小にするために閉鎖とフラットなコンフォメーションでナノ結晶表面に結合し、PEGは細胞や生体分子に非特異的な結合を最小限に抑えるために表面電荷を中和する。最終的な結果は、550から800 nmおよび12 ​​nm付近合計流体力学的サイズとの間の発光と明るい蛍光ナノ結晶である。これは、sにありますAMEサイズの細胞には多くの水溶性球状タンパク質などの範囲、および従来のPEG化された量子ドット（25-35 nm）に比べてかなり小さい。

図2は、CdSeナノ結晶、陽イオン交換後の水銀X CD 1-X SEナノ結晶、およびHg X CD 1-X SE / CD Y Znの殻の成長後の1-Y Sナノ結晶の代表的な吸収および蛍光スペクトルを示す。コアのCdSeナノ結晶は15％近くに蛍光の量子収率を持っている（長波長ディープトラップの排出を含む）が、この効率は、表面原子の中断9を通じて導入されたキャリアのトラ?...

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Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

我々は、単一分子蛍光イメージングのための最小限に流体力学的サイズを有するコロイド量子ドットの調製を記載している。従来の量子ドットに比べ、これらのナノ粒子はサイズが球状タンパク質と類似しており、単一分子の明るさ、光分解に対する安定性、タンパク質や細胞への非特異的な結合への抵抗のために最適化されています。

1分子蛍光イメージングのためのコンパクトな量子ドット

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

18.0K ビュー.  Emory University. 我々は、単一分子蛍光イメージングのための最小限に流体力学的サイズを有するコロイド量子ドットの調製を記載している。従来の量子ドットに比べ、これらのナノ粒子はサイズが球状タンパク質と類似しており、単一分子の明るさ、光分解に対する安定性、タンパク質や細胞への非特異的な結合への抵抗のために最適化されています。

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Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Gradient echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in atomic ensembles. The primary motivation for such a technology is that quantum key distribution (QKD), which uses Heisenberg uncertainty to guarantee security of cryptographic keys, is limited in transmission distance. The development of a quantum repeater is a possible path to extend QKD range, but a repeater will need a quantum memory. In our experiments we use a gas of rubidium 87 vapor that is contained in a warm gas cell. This makes the scheme particularly simple. It is also a highly versatile scheme that enables in-memory refinement of the stored state, such as frequency shifting and bandwidth manipulation. The basis of the GEM protocol is to absorb the light into an ensemble of atoms that has been prepared in a magnetic field gradient. The reversal of this gradient leads to rephasing of the atomic polarization and thus recall of the stored optical state. We will outline how we prepare the atoms and this gradient and also describe some of the pitfalls that need to be avoided, in particular four-wave mixing, which can give rise to optical gain.

The gradient echo memory is a protocol for storing optical quantum states of light in atomic ensembles. Quantum memory is a key element of a quantum repeater, which can extend the range of quantum key distribution. We outline the operation of the scheme when implemented in a 3-level atomic ensemble.

暖かい原子蒸気に勾配エコー量子メモリ

Gradient  echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in  atomic ensembles. The primary motivation for such a technology ...

工学

Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and entanglement, to solve certain problems exponentially faster than with the best known algorithms on a classical computer. Gate-defined lateral quantum dots on GaAs/AlGaAs are one of many avenues explored for the implementation of a qubit. When properly fabricated, such a device is able to trap a small number of electrons in a certain region of space. The spin states of these electrons can then be used to implement the logical 0 and 1 of the quantum bit. Given the nanometer scale of these quantum dots, cleanroom facilities offering specialized equipment- such as scanning electron microscopes and e-beam evaporators- are required for their fabrication. Great care must be taken throughout the fabrication process to maintain cleanliness of the sample surface and to avoid damaging the fragile gates of the structure. This paper presents the detailed fabrication protocol of gate-defined lateral quantum dots from the wafer to a working device. Characterization methods and representative results are also briefly discussed. Although this paper concentrates on double quantum dots, the fabrication process remains the same for single or triple dots or even arrays of quantum dots. Moreover, the protocol can be adapted to fabricate lateral quantum dots on other substrates, such as Si/SiGe.

This paper presents a detailed fabrication protocol for gate-defined semiconductor lateral quantum dots on gallium arsenide heterostructures. These nanoscale devices are used to trap few electrons for use as quantum bits in quantum information processing or for other mesoscopic experiments such as coherent conductance measurements.

ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit a strong degradation after annealing due to the occurrence of void formation at the contact/SiO2 interface. This void formation can cause cracking and delamination of the metal film, which can increase the resistance or lead to a complete failure of the NW device. In order to address issues associated with void formation, a technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from the substrates to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN NW devices. This procedure determines the degree of adhesion of the contact films to the substrate and NWs and allows for the characterization of the morphology and composition of the contact interface with the substrate and nanowires. This technique is also useful for assessing the amount of residual contamination that remains from the NW suspension and from photolithographic processes on the NW-SiO2 surface prior to metal deposition. The detailed steps of this procedure are presented for the removal of annealed Ni/Au contacts to Mg-doped GaN NWs on a SiO2 substrate.

A technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from their substrate to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN nanowire devices.

シングルGaNナノ細線デバイスのための接触界面の解析

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and Titanium Sapphire lasers as the workhorse laser of atomic physics labs1,2. Their versatility and prolific use throughout atomic physics in applications such as absorption spectroscopy and laser cooling1,2 makes it imperative for incoming students to gain a firm practical understanding of these lasers. This publication builds upon the seminal work by Wieman3, updating components, and providing a video tutorial. The setup, frequency locking and performance characterization of an ECDL will be described. Discussion of component selection and proper mounting of both diodes and gratings, the factors affecting mode selection within the cavity, proper alignment for optimal external feedback, optics setup for coarse and fine frequency sensitive measurements, a brief overview of laser locking techniques, and laser linewidth measurements are included.

This is an instructional paper to guide the construction and diagnostics of external cavity diode lasers (ECDLs), including component selection and optical alignment, as well as the basics of frequency reference spectroscopy and laser linewidth measurements for applications in the field of atomic physics.

原子物理学外部共振器半導体レーザーの構築とキャラクタリゼーション

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states are indeed the resources for implementing various protocols, ranging from enhanced metrology to quantum communication and computing. A variety of devices can be used to generate non-classical states, such as single emitters, light-matter interfaces or non-linear systems3. We focus here on the use of a continuous-wave optical parametric oscillator3,4. This system is based on a non-linear &#967;2 crystal inserted inside an optical cavity and it is now well-known as a very efficient source of non-classical light, such as single-mode or two-mode squeezed vacuum depending on the crystal phase matching. 
Squeezed vacuum is a Gaussian state as its quadrature distributions follow a Gaussian statistics. However, it has been shown that number of protocols require non-Gaussian states5. Generating directly such states is a difficult task and would require strong &#967;3 non-linearities. Another procedure, probabilistic but heralded, consists in using a measurement-induced non-linearity via a conditional preparation technique operated on Gaussian states. Here, we detail this generation protocol for two non-Gaussian states, the single-photon state and a superposition of coherent states, using two differently phase-matched parametric oscillators as primary resources. This technique enables achievement of a high fidelity with the targeted state and generation of the state in a well-controlled spatiotemporal mode.

We describe the reliable generation of non-Gaussian states of traveling optical fields, including single-photon states and coherent state superpositions, using a conditional preparation method operated on the non-classical light emitted by optical parametric oscillators. Type-I and type-II phase-matched oscillators are considered and common procedures, such as the required frequency filtering or the high-efficiency quantum state characterization by homodyning, are detailed.

連続波光パラメトリック発振器の光の量子状態エンジニアリング

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. At the same time the AFM tip is passivated to prevent unspecific interactions between the tip and the substrate, which is a prerequisite to study single molecules attached to the AFM tip. Analyses to determine the adhesion force, the adhesion length, and the free energy of these molecules on solid surfaces and bio-interfaces are shortly presented and external references for further reading are provided. Example molecules are the poly(amino acid) polytyrosine, the graft polymer PI-g-PS and the phospholipid POPE (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine). These molecules are desorbed from different surfaces like CH3-SAMs, hydrogen terminated diamond and supported lipid bilayers under various solvent conditions. Finally, the advantages of force spectroscopic single molecule experiments are discussed including means to decide if truly a single molecule has been studied in the experiment.

A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

原子間力分光法による単一分子の接着性を調査

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

液体環境におけるパルスUVレーザー照射によるシリコン表面の濡れ性の選択エリア変更

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due to fundamental constraints imposed by the hyperpolarized state, exotic imaging and reconstruction techniques are commonly used. A practical system for characterization of dynamic, multi-spectral imaging methods is critically needed. Such a system must reproducibly recapitulate the relevant chemical dynamics of normal and pathological tissues. The most widely utilized substrate to date is hyperpolarized [1-13C]-pyruvate for assessment of cancer metabolism. We describe an enzyme-based phantom system that mediates the conversion of pyruvate to lactate. The reaction is initiated by injection of the hyperpolarized agent into multiple chambers within the phantom, each of which contains varying concentrations of reagents that control the reaction rate. Multiple compartments are necessary to ensure that imaging sequences faithfully capture the spatial and metabolic heterogeneity of tissue. This system will aid the development and validation of advanced imaging strategies by providing chemical dynamics that are not available from conventional phantoms, as well as control and reproducibility that is not possible in vivo.

A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

過分極磁気共鳴剤の研究のための多区画動的単一酵素ファントムの使用

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...