Name: high resolution phonon-assisted quasi-resonance fluorescence spectroscopy
Uploaded: 2016-06-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 40 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy at JoVE.com

저자는 샘플이 연구되고 제공하기 위해 해군 연구소에서 앨런 BRACKER 다니엘 훈제 햄을 인정하고 싶습니다. 이 작품은 캘리포니아 머 시드 대학에 국방 위협 감소 기관, 기초 연구 상 # HDTRA1-15-1-0011에 의해 (부분적으로) 지원되었다.

참고 : 다른 소프트웨어 패키지 대신에 사용될 수 있지만 설명하는 방법은, 특정 소프트웨어에 따라 다릅니다. 1. 샘플 준비 및 쿨 다운 <ol><li> 샘플을 제조. <ol><li> 전술 한 바와 같이 4 내지 터널 장벽에 의해 분리되는 두 개의 수직으로 적층 된 자기 조립의 InAs / GaAs로 양자점을 생성 분자선 통해 Stranski-Krastanov 성장 법을 이용하여 샘플을 성장한다. 16 퍼가 양자점을 전계 효과 형 구조 (즉, 쇼트 키 다이오드) 전계 허용은 QDMs에 적용된다. 17 참고 QDMs의 사용 방법에 대한 요구 사항이 아니다. 또한,의 InAs / 갈륨 비소가 필요하지 않습니다 반도체는 기술은 반도체 조합에서 만든 QDMs 또는 양자점을 위해 작동합니다. </li><li> 개별 양자점 광학적으로 어드레싱 될 수 있도록 시료를 제작. 어느 샘플 또는 m의 상단에 개구 마스크를 추가함으로써이를 수행108 양자점 / cm 2 이하 초점 스팟 사이즈에 따라 가진 저밀도 샘플 aking. 18 </li></ol></li><li> 칩 헤더에 샘플을 탑재합니다. <ol><li> 세라믹 칩 헤더에 50 %의 비스무트, 26.7 %의 납, 13.3 %의 주석, 10 % 카드뮴으로 구성된 합금을 적용합니다. 합금이 액화 될 때까지, 핫 플레이트를 이용하여 칩을 가열한다. 칩 헤더에 부착 액화 합금 상에 샘플의 바닥을 놓는다. 주의 : 샘플의 하단에 핀에 연결되는 쇼트 키 다이오드 칩 헤더 솔더 포인트의 한쪽의 전극이다. 시료를 장착하기위한 또 다른 대안은 전도성은 에폭시이다. </li></ol></li><li> 칩의 핀에 샘플의 포인트 (상단)에서 40 G 골드 와이어를 준수합니다. <ol><li> 상단 샘플의 코너 칩의 핀 패드 중 하나에 하나의 액적 실버 에폭시의 방울을 놓습니다. </li><li> 조심스럽게 두 방울의 골드 와이어를하다. 참고 : t의 상단을그 샘플은 전계의인가를 허용 쇼트 키 다이오드의 다른 쪽의 전극이다. </li></ol></li><li> 그라 이오 스탯에 칩 및 샘플을 탑재하고 샘플은 구리 샘플 홀더에 좋은 열 접촉이 확인합니다. <ol><li> 칩과 저온 유지 장치의 차가운 손가락 사이에 인듐 포일을 적용합니다. </li><li> 압력은 차가운 손가락에 칩을 탑재합니다. 세탁기와 두 개의 나사를 사용하고 저온 ​​유지 장치의 구리 차가운 손가락으로 좋은 열 접촉을 보장하기 위해 단단히 조입니다. </li></ol></li><li> 샘플의 상부 및 하부 전극들 모두에 접속되어 상기 칩 핀에 전선을 연결. 소스 미터에 저온 유지를 통해이 와이어를 실행합니다. 참고 : 소스 미터는 외부 전기장에 양자점을 노출, 샘플의 전극에 바이어스를 적용합니다. </li><li> 대피 및 진공에 저온 유지 및 샘플 챔버를 가지고. 샘의 아래로 시원한에 대비하여 약 10 -6 토르로 대피, 터보 펌프를 시작합니다PLE. 주 : 실험 냉각 온도 제어는 밀폐형 냉장고 부착 현미경의 샘플 챔버로 구성되는 저온 유지 장치로 달성된다. </li><li> 그라 이오 스탯의 압축기를 시작합니다. 그라 이오 스탯이 원하는 온도에 도달 할 때까지 시스템을 냉각시킵니다. 주 : 제시된 결과 온도는 샘플이 냉각되면, 설치가 수행 할 수있는 광학 측정 있도록 광학의 설치 준비가 약 18 K.이었다. </li></ol> 2. 광학 설치 참고 : 모든 절차를 설정 한 경우, 제조업체 또는 다른 사용자 지정 프로그램에서 제공하는 소프트웨어를 사용하거나하여 레이저, 소스 미터, 분광기와 CCD를 실행합니다. <ol><li> PL 컬렉션의 경우, 분광계 상에 PL 신호를 초점 렌즈에 맞춰 긴 작동 거리 50X 현미경 목표와 시준 렌즈를 배치합니다. 0.75 mm 통해 스펙트럼을 수집신호가 1,100mm -1 격자에 의해 분산 및 액체 질소를 사용하여 검출된다 onochromator 1340 × 100 화소의 CCD 카메라를 냉각시켰다. </li><li> 백색 광원을 이용하여 시료를 조명. <ol><li> 제대로 분광계 CCD에 샘플의 깨끗한 초점을 맞춘 이미지를 얻을 검출 측의 모든 광학 (즉, 시준 및 초점 렌즈) 및 제로 파장을 정렬하여 외부 카메라와 분광계를 통해 샘플의 이미지에 초점을 맞 춥니 다. 참고 : 정렬 및 샘플의 선명한 이미지를 얻기에 도움이 다른 외부 영상 카메라를 가지고하는 것이 도움이된다. </li></ol></li><li> 검출 측이 설정되면, 샘플 상에 레이저를 집중한다. 렌즈를 이용하여 샘​​플을 가능한 가장 작은 크기로 빔 스폿을 집중. 기저 상태 전이 에너지를 포함하는 여진 범위를 갖는 가변 파장 레이저 다이오드를 사용한다. 비스듬한 각도로 샘플에 레이저 사건을 설정합니다. 경사 입사의 장점은이것은 산란 레이저 광의 상당 부분을 제거하는 데 도움이. </li><li> 높은 비 공명 에너지에서 샘플을 자극. 최적의 습윤 층 아래 에너지에 흥분하여이 작업을 수행. 인듐 비소 / GaAs로 QDMs이 연구에서이 접지 상태 전이 상기 75 meV 인 이상에 상당한다. </li><li> 초점 모드에서 스펙트럼 수집 소프트웨어를 실행합니다. 그라 이오 스탯 현미경 샘플 하우징에 부착되는 XY 변환 단계를 이용하여 레이저 스폿에 걸쳐 샘플을 검사한다. 분광계 CCD는 접지 상태 전환의 구분 줄을 캡처 할 때까지이 작업을 수행합니다. QDMs 중 하나를 검출 중심. 참고 : QDM가 발견되면, 광 설치가 완료됩니다. 기저 상태의 에너지를 사용하는 샘플은 약 1,300 meV 인이다. </li><li> 바이어스 맵을 생성한다. <ol><li> 샘플에 전극에 연결된 소스 미터 (단계 1.5)를 통해 잠재력을 적용; 이것은 QDM에 전계를 발생 차례로 전극간에 바이어스를인가에스. 주의 : 샘플에인가되는 바이어스의 범위는 쇼트 키 다이오드 구조에 걸쳐 0-2 V이다. 장치가 역 바이어스에있을 때, 그리고 전계가 볼 수 있도록 각 충전 상태에 대한 허용 QDM의 전하량을 제한한다. </li><li> 일반적으로 볼트의 수천에 백분의 범위이 원하는 해상도에 따라 다른 증가 전압 값에서 각각의 스펙트럼을 가져 가라. 사용자 지정 프로그램 (예를 들어, LabVIEW를) 사용하여 함께 이러한 개별 스펙트럼을 결합합니다. 주 :이 프로그램은 쉽게 제시 실험이 함께 실시간 데이터 스티치 첨가되어 매트릭스로 각각의 스펙트럼의 벡터 열을 조합하는 다른 다양한 프로그램을 이용하여 코딩 될 수있다. <ol><li> 바이어스 맵을 적용하려면 실행 버튼을 클릭합니다. 이 세트 바이어스에서 스펙트럼을 받아 그것을 열 벡터를 확인하고 다른 열 각 증가 바이어스 스펙트럼을 추가합니다. 참고 :이 데이터 마트를 생성X 강도 값이 PL 강도에 해당하는 경우, 열은 에너지 / 파장을 나타내며, 열 전압에 대응한다. 따라서이 데이터의 품질에 대한 실시간 피드백을 가능하게 실행되고, 상기 바이어스 맵을 볼 수있게한다. 참고 : 바이어스지도가 서로 다른 전하 구성을 식별하는 데 도움이 여기 및 검출 경로 모두의 설치를 완료 할 수있는 적절한 정보를 제공합니다. </li></ol></li></ol></li><li> 흥분 될 것이다 전환을 확인합니다. 전이의 에너지와 명소 바이어스 범위를 참고. <ol><li> 이때 레이저 여기의 전이를 통해 조정되는 방법을 결정한다. 바닥 상태 전이에 흥분하는 레이저를 얻을 수있는 세 가지 옵션이 있습니다 : <ol><li> 조정 온도에 의한 전이 에너지. (18) </li><li> 레이저 에너지를 공진을 달성하기 위해 전환 탁 시프트를 사용한다. (19) 참고 : 내가 위에서 언급 한 두 가지 방법의 좋은 기능을QDM 전이는 일정한 레이저 에너지를 통해 조정되어 있으므로 가변 레이저 광원이 필요하지 않은 S. </li><li> 대안 적으로, 전이를 통해 상기 레이저 에너지를 스테핑 동조 가능한 레이저 소스를 사용한다. 레이저 천이 공진 때의 검출 신호가 존재할 것이며, 이는 측정을 레이저의 제한 스펙트럼 해상도를 제공한다. 이 프로토콜의 나머지 부분에 대한 초점이 될 것입니다. </li></ol></li></ol></li><li> 전환이 확인되고 실험 매개 변수를 설정하면, 측정에 모두 여기 및 탐지 에너지를 선택합니다. <ol><li> 트랜지션과 여기 에너지를 선택한다. 여기 된 전이 에너지 뺀 반도체 합금과 관련된 광학 길이 (LO) 포논 에너지로서 검출을 선택한다. 이러한 값을 사용하여, 측정에 적합한 에지 패스 필터를 선택; 그들은 여기 및 검출 에너지 사이에 단절이 있어야합니다. 참고 : experim 들어ental 결과 종동 전환 1,301.7 meV 인 관찰,도 3에 도시 된 중립 상태 엑시톤이었다 제시하고 -1 LO의 포논 발광은 각각 952.5 nm에서 979.3 nm의 대응, 1266 meV 인 위치한다. 따라서 우리는 여기에 대한 960 nm의 짧은 통과 필터 및 상기 검출에 대한 960 nm의 롱 패스 필터를 사용한다. 그들은 각도를 조절하여 튜닝 될 수 있기 때문에 간섭 차단 필터가 이러한 목적에 적합하다. </li></ol></li><li> 레이저 제어 소프트웨어의 전면 패널의 해당 입력 필드에 원하는 레이저 파장 값을 입력하는 것만으로 행해진 주목 전이 에너지로 자극하기 위해 레이저를 설정한다. </li><li> 분광계 제어 소프트웨어의 전면 패널의 해당 입력 필드에 원하는 중심 파장의 값을 입력하여 -1 LO 광자 방출을 모니터링하는 소정의 값에 중심 파장을 설정한다. 참고 :의 InAs / 갈륨 비소의 -1 LO 광자 방출 appr입니다흥분 될 것 여기자 전이 아래 oximately 36 meV 인. </li><li> 카메라 소프트웨어를 사용하여 포커스 모드 버튼을 클릭하여 연속 모드 스펙트럼 획득 소프트웨어를 실행하여 CCD로 수집을 시작. 신호가 표시되어야합니다 또는 정지 레이저 산란에 의해 숨겨 질 수 있습니다. </li><li> 신호를 극대화 할 수 있습니다. 중요한 단계 : 조정 여기 짧은 패스 필터, 그것은 적절한 파장 차단을 갖도록 약간의 각도를 조정하여. 주 : 최적의 각도는 짧은 패스 필터의 각도를 조정하는 동안 신호를 모니터링하여 성립된다. 필터의 각도를 변경함으로써이 컷오프 파장을 변경한다. 핵심은 가능한 한 많은 레이저 빛이 컬렉션에서 억제되고 있는지 확인하는 것입니다. </li></ol> 3. 준 공명 측정 설정 <ol><li> 사용자 정의 소프트웨어의 메인 화면을 사용하여 컴퓨터 제어에 실험 매개 변수를 설정합니다. 이렇게하려면 수집 프로그램을 시작하고 일을 클릭전자 단계의 양극화, 온도, 또는 WL 탭을 선택합니다. 이 모든 실험 값을 설정하고 실행하면, 다양한 매개 변수를 통해 데이터를 수집합니다. 참고 : 우리의 실험 데이터는 모든 컴퓨터 컨트롤이 사용자 정의 프로그램되었다 복용하십시오. 키는 소프트웨어가 있거나, 분광기의 중심 파장을 설정 CCD 소스 미터를 제어하고, 다른 바이어스에서 스펙트럼의 범위를 수집하는 동안의 전이를 통해 레이저 에너지 스텝 수 프로그래밍하는 것이다. <ol><li> 입력 레이저를 통해 스캔 기존의 레이저 에너지 범위 : 1,301.7 meV 인의 중립 여기자 전이 에너지보다 약 50 μeV에서, 아래 50 μeV에. 은 &quot;요구 수량 WL (㎚)&quot;필드를 사용하여 스캔을 시작하는 초기 파장을 설정합니다. ( &quot;최종 모터 장치&quot;)를 통해 스캔 레이저의 끝 범위를 설정합니다. </li><li> 소스 미터는 &quot;전압 설정&quot;탭을 클릭하여 통해 스캔 바이어스 범위를 설정합니다. 시작 바이어스 발을 설정UE ( &quot;시작 전압 (V)&quot;), 최종 바이어스 값 &quot;최종 전압 (V)&quot;바이어스 스텝 사이즈 &quot;승압 (V)&quot;. 여기서, 주사 바이어스 범위는 1.82 V로 1.68이었다 </li><li> 입력 통합 시간은 &quot;카메라 설정&quot;탭을 클릭하여 선택. &quot;노출 (들)&quot;의 CCD의 통합 시간을 설정 (3.3 단계를 참조하십시오). CCD에 대한 합리적인 통합 시간을 선택합니다. 통합 시간이 실험은 좋은 신호를 얻을 수 있습니다. 통합 시간을 얻을 수있는 더 나은 신호 평균화 큰. (20) 참고 : 실험에 사용되는 통합 시간은 10 초였다. 그러나, 적분 시간은 PL 신호의 세기에 따라 0.5 초 정도로 낮을 수있다. 때때로 개별 검사뿐만 함께 스펙트럼 데이터의 합계를 더한 광 발광 여기 (PLE) 맵의 전환을 발표 할 예정 보간하는 눈의 능력을 바느질시 신호를보고도 필요하지 않습니다. </li&gt; </ol></li></ol> 4. 데이터 수집 <ol><li> 실험 매개 변수가 설정되면 실험을 시작한다. 실행 버튼을 클릭하여 수집을 시작합니다. 참고 : 각각의 레이저 에너지에 소프트웨어는 스펙트럼 배경 스펙트럼을 고려하여 바이어스를 변화한다. 이는 각 바이어스 단계에서 수행됩니다. 그런 다음, 레이저 에너지가 변화하고 선택된 전체 범위가 완료 될 때까지 처리는 계속된다. </li><li> 후 처리 데이터. <ol><li> 모든 바이어스지도의 끝에 촬영 추가 배경 스캔을 가지고 바이어스 각 열에서 평균을 뺍니다. 배경 빼기 프로그램을 사용하거나 함께 배경 열, 평균을 취하는 프로그램을 작성하고이 데이터 매트릭스의 각 바이어스 열에서 배경 스펙트럼을 평균 뺍니다. 참고 : 우리의 실험실에서 사용되는 프로그램에 대한 보충 코드 파일을 참조하십시오. 참고 :이 남아 흩어져 레이저 빛으로 인한 다른 스퓨리어스 신호를 제거 크게 메신저바이어스 맵 증명. </li></ol></li><li> 데이터를 분석 할 수 있습니다. <ol><li> 예를 들어, 상기 스펙트럼 라인의 특성 파라미터는 PL 맵의 각 바이어스 슬라이스에 피팅 로렌츠를 실행하는 수학 피팅 소프트웨어를 사용하여 추출한다. (21)을 끼워 맞춤 절차는 모든 정보가 부속 등의 계수에있을 것이다 완료되면 최대 강도 스펙트럼 위치 및 FWHM있다. </li></ol></li></ol>

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저자는 공개 아무것도 없어.

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...

고해상도 새로운 지식을 잠금 해제의 열쇠입니다. 이 지식으로, 새로운 기술은보다 센서보다 정밀한 제조 툴, 더 효율적인 연산 장치 등이 개발 될 수있다. 이 키를 생성하지만, 종종 자원, 시간 또는 이들의 높은 비용으로 온다. 이 문제는 전자 작은 스펙트럼 변화는 다음 먼 별에 행성의 검출 될 수 있습니다 천문학에 회전의 해제 degeneracies 해결의 원자 물리학에서 모든 규모에 걸쳐 편재. 1,2,3 이 작품의 초점은 표준 분광계 설정을 사용하고, 특히 반도체 광학 분야와 관련하여, 자사의 해상도 한계 이하 스펙트럼 기능을 해결하는 방법을 보여주는 것입니다. 제시된 예는 몇 μeV 정도이다의 InAs / GaAs로 양자점 (양자점)의 이방성 전자 - 정공의 (EH) 과거 분할된다. 4 분광계 (C)의 분해능 한계표준 PL 레이저 분광 기술을 조합함으로써 극복 될 수있다. 유사 공진 형광이 방법은 흔히 단일 단계 분광계를 사용하여 레이저 제한된 분해능을 달성하는 추가적인 장점을 갖는다. 단일 QD PL 스펙트럼에 대한 표준 분광 광학 시스템은 단일 스테이지 0.3-0.75 m 단색화 및 여기 레이저 광원과 함께 광학 장치 (CCD) 검출기 전하 결합 구성된다. 이러한 시스템은 기껏해야 약 950 nm의 근적외선 스펙트럼에서 50 μeV를 해결할 수있다. 비록 통계적 디콘 볼 루션 기술을 사용하여 이러한 단일 단색화 설정이 PL 측정에서 20 미만 μeV를 해결할 수 없다. 스펙트럼이고 5이 해상도 또한, 트리플 첨가제 모드에서 삼중 분광계를 사용하여 향상시킬 수있다 연속적으로 세 개의 격자에 의해 분산. 트리플 분광계 해결 가능한 해상도 증가하는 장점을 갖는다약 10 μeV. 다른 구성 트리플 감산 모드에서는, 첫 번째 두 격자들은 0.5 미만 meV 인에 의해 여진 및 검출을 분리 할 수​​ 있다는 추가 된 기능을 제공하는 대역 통과 필터로서 동작. 트리플 분광계의 단점은 고가의 시스템이라는 것이다. 관심있는 방법을 제시하기 전에, 우리는 간단하게 추가 된 복잡성, 더 나은 스펙트럼 해상도를 달성하고 단일 양자점의 미세 구조를 해결할 수 있으며, 다른 실험 방법을 설명합니다. 이러한 방법의 요소는 제시된 방법에 적합하다. 하나의 이러한 방법은 단일 분석 장치 설치의 검출 경로의 패브리 - 페로 간섭 현상 (FPI)를 첨가한다. (6)의 해상도는 FPI의 기교에 의해 설정되어이 방법을 사용. 따라서, 분광기의 분해능은 낮은 복잡성 및 신호 강도의 비용 1 μeV으로 향상된다. 7 간섭계 방법은 또한 일반 operati 변경CCD 카메라와 분광계에 효과적으로 단일 포인트 검출기되고, 다양한 에너지를 통해 튜닝은 FPI 공동 자체를 조정함으로써 달성된다. 공명 형광 (RF) 스펙트럼은 단일 광학 전이 모두 흥분 및 모니터링 또한 고해상도 스펙트럼의 가능성을 제공하는 다른 방법. 스펙트럼 해상도는 레이저 선폭에 의해 한정되지 한 센서 신호 그러나 CCD의 픽셀 수를 검출하는 멀티 채널 검출기로서 CCD를 유지한다. 이 채널 감지 신호 평균화의 관점에서 유리하다. 단일 QD 수준에서 측정 할 때 RF 스펙트럼의 문제는 특히, 산란 된 레이저 광의 큰 배경에서 PL 신호를 분리한다. 수많은 기술 중 하나를 포함 편광 8 산란 레이저 광, 9 공간 또는 시간 간격 (10) 신호의 비율을 낮추기 위해 사용될 수있다여진 및 검출. 첫 번째는 산란광을 억제하는 높은 흡광 편광기를 사용하는 것이지만,이 방법은 PL에서 편광 정보 손실의 바람직하지 않은 결과를 갖는다. (8) 또 다른 가능한 방법은, 광 공동에 결합되는 반도체 시스템 엔지니어 공명 형광을 구하는 곳 여기 및 검출 경로가 공간적으로 분리된다. 이 큰 레이저 배경에서 PL 신호를 해결해야하는 문제를 제거한다. 그러나,이 방법은 집중 일반 자원에 복잡한 샘플 제조로 제한됩니다. (9) 또한 분 에너지 차이를 해결할 수있는 방법의 또 다른 클래스는 완전한 편광 정보 레이저 제한된 해상도를 달성하는 장점이 차동 전송, 순수한 레이저 스펙트럼의 그 것이다. 이 방법은 일반적으로 트랜스에 조금만 변화를 관찰하기 위해 잠금에서 검출이 필요합니다큰 레이저 배경에 비해 임무 신호. 11 최근 사용하거나하여, 20 %까지의 값으로 QD (들)와 상호 작용하는 레이저 광의 일부를 높일 주도 나노 진보 인덱스 매칭 고체 침지 렌즈 혹은 포토 닉 결정 도파로의 점 매립. 12 이 방법은 높은 에너지 분해능을 달성하는 능력을 가질지라도, 이들은 고가의 장비 복잡한 샘플 제조 및 정보 손실의 비용에서 온다. 이 작업의 방법은 일반적인 PL 설치에 장비 또는 샘플의 제조에 복잡성을 추가하지 않고이 세 가지 방법의 요소를 결합합니다. 최근 연구는 감산 모드 삼중 분광계 시스템으로는 양자점 분자 (QDM)의 2 광자 전이 주파수에서 단일 - 삼중 미세 구조를 시각화 할 수 있음을 보여준다.도 13의 순서에 관련 에너지 분할μeV 수십 약간의 전이로 공진을 여기하고 meV 인 미만 이내에 감지 할 수 삼중 차감 모드를 사용하여 해결 하였다. 스펙트럼 정보는 음향 포논과 다른 저지대 여기자 전환하여 전이 이하 모니터링하여 추출 하였다. 도 1에서 볼 수 있듯이이 방법은 또한 각각 8 μeV 4 μeV의 여기자 천이 이방성 EH 과거 분할 심지어 수명 한정 선폭을 해결하기 위해 적용될 수있다.이 결과와 유사하게,이 논문은 간단한에 초점 다른 방법은 고해상도 소유 많은 장점을 통합하는 것이다 분광계 설정. 추가적으로, CCD는 멀티 채널 검출기로서 남아있을 것이다. 실험 셋업은 다른 고해상도 분광법 상당히 저렴 대하여 유지하고 용이 한 점 상관 측정을 달성하기 위해 변형되는 추가 이익을 갖는다 할 수있다. 결과 날기 달리g 음향 포논과 트리플 분광계, 기본 키는 반도체 시료를 구성하는 반도체 및 관련 합금과 관련된 LO-포논 위​​성을 사용하는 것이다. LO-포논 위성 제로 포논 선 (ZPL) 사이의 에너지 간격은 1 단 분광기의 사용을 허용하는 그러한 샘플 meV 인 수십 정도이다. (14)이 에너지 분리 제안 의약의 사용을 허용 로 공진 천이를 구동하고 하나의 LO 포논 동등한 에너지에 의해 여기 아래 모니터링함으로써 -resonance 분광 방법. 하나는 여기 전이에 자극과 접지 상태 천이를 감시 여기서이 방법. 전이 사이의 분리가 기대되는 15 PL 여기의 것과 유사하고, LO-포논 위성 즉 억제하는 에지 통과 필터의 사용을 허용 탄성 빛을 산란. 포논 위성을 사용하는이 방법은 레이저 선폭 제한된 해상도를 허용흥미로 공진하기 때문에, 전이는 LO-포논 위​​성 방출 표시하게하는 유일한 시간이 일반적이다.

<table><tbody><tr><td>Tunable Diode Laser DL pro</td><td>Toptica Photonics</td><td>DL Pro</td><td></td></tr><tr><td>Closed Cycle Cryogen Free Refrigerator System for Microscopy</td><td>Cryo Industries of America Inc.</td><td>Cryocool G2</td><td></td></tr><tr><td>Sourcemeter</td><td>Keithley&amp;nbsp;</td><td>2611a</td><td></td></tr><tr><td>50X Mitutoyo Plan Apo NIR Infinity-Corrected Objective</td><td>Mitutoyo America Corporation</td><td>378-825-5</td><td></td></tr><tr><td>Turbo pump</td><td>Pfeiffer Vacuum</td><td>HiPace 80</td><td></td></tr><tr><td>NIR coated Mirrors&amp;nbsp;</td><td>Thor labs</td><td>BB1-E03</td><td></td></tr><tr><td>Polarizers&amp;nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>LPNIR050-MP</td><td></td></tr><tr><td>200&amp;nbsp;mm AR coated Achromatic lens&amp;nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-200-B-ML</td><td></td></tr><tr><td>100&amp;nbsp;mm AR coated Achromatic lens&amp;nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-100-B-ML</td><td></td></tr><tr><td>960 Long pass filter</td><td>Thorlabs</td><td>960aelp</td><td></td></tr><tr><td>960 Short pass filter</td><td>Thorlabs</td><td>960aesp</td><td></td></tr><tr><td>Liquid Crystal Variable Retarder</td><td>Meadowlark Optics</td><td>LVR-100</td><td></td></tr><tr><td>0.75&amp;nbsp;m Spectrometer Acton SpectraPro</td><td>Princeton Instruments</td><td>Trivista</td><td></td></tr><tr><td>Liquid Nitrogen Cooled Camera&amp;nbsp;</td><td>Princeton Instruments</td><td>7508-0002</td><td></td></tr><tr><td>External Camera</td><td>Watec</td><td>Wat-902H Ultimate</td><td>Optional</td></tr><tr><td>Ostoalloy</td><td>Lake Shore Cryotronics</td><td>Ostalloy 158</td><td></td></tr><tr><td>Gold wire (40 gauge)</td><td>Surepure Chemetals</td><td>Au-Wire-03-02</td><td></td></tr><tr><td>Silver Epoxy</td><td>A.I. Technology</td><td>Prima-Solder EG8020</td><td></td></tr><tr><td>Program Software&amp;nbsp;</td><td>National Instruments&amp;nbsp;</td><td>LabView</td><td></td></tr></tbody></table>

high resolution phonon-assisted quasi-resonance fluorescence spectroscopy

고해상도 광 분광 방법은 하나의 기술 장비, 복잡성, 시간 또는 이들의 조합의 관점에서 요구된다. 여기에서 우리는 스핀 미세 구조와 단일 양자 도트 (양자점)의 균일 한 선폭의 이상으로 스펙트럼 기능을 해결하는 표준, 사용하기 쉬운 분석기 설정을 사용 할 수있는 광 분광 방법을 보여줍니다. 이 방법은 멀티 - 채널 광 발광 감지와 레이저 선폭 제한된 해상도의 이점을 결합하여 레이저 광 발광 스펙트럼을 모두 포함한다. 이러한 방식은 일반적인 단일 단계 분광계의 이상 해상도의 상당한 개선 할 수 있습니다. 상기 방법은 기저 상태 전이의 공진 여진 후 단일 양자 도트의 광 발광 측정을 돕기 위해 포논을 사용한다. 포논의 에너지 차이는 하나 분리하고 흥미로운 양자점을 레이저 광을 필터링 할 수 있습니다. 유리한 철이 방법의 ature은 대부분의 연구자에 액세스 할 수있는 표준 분광 설정,로 그 곧장 앞으로 통합이다.

도면에 제시된 결과는 PL 측정을 돕기 위해 포논을 이용한 고해상도 기능을 나타낸다. 회로도 (도 2)의 여기 및 검출 모두 에지 통과 필터를 제외하고, 실험 장치는 편광 제어를 선택적으로 또한 표준 분광법 설치 남아 있음을 보여준다. 하나의 트리플 분광계 (그림. 3)과의 비교는 해상도에 포논를 이용한 방법의 큰 개선을 묘사한다. 이방성 어 분?...

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High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

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.

높은 해상도 포논 도움을 준 공명 형광 분광학

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

7.4K 조회수.  University of California, Merced. 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. 

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Rejection of Fluorescence Background in Resonance and Spontaneous Raman Microspectroscopy

Raman spectroscopy is often plagued by a strong fluorescent background, particularly for biological samples. If a sample is excited with a train of ultrafast pulses, a system that can temporally separate spectrally overlapping signals on a picosecond timescale can isolate promptly arriving Raman scattered light from late-arriving fluorescence light. Here we discuss the construction and operation of a complex nonlinear optical system that uses all-optical switching in the form of a low-power optical Kerr gate to isolate Raman and fluorescence signals. A single 808 nm laser with 2.4 W of average power and 80 MHz repetition rate is split, with approximately 200 mW of 808 nm light being converted to &lt; 5 mW of 404 nm light sent to the sample to excite Raman scattering. The remaining unconverted 808 nm light is then sent to a nonlinear medium where it acts as the pump for the all-optical shutter. The shutter opens and closes in 800 fs with a peak efficiency of approximately 5%. Using this system we are able to successfully separate Raman and fluorescence signals at an 80 MHz repetition rate using pulse energies and average powers that remain biologically safe. Because the system has no spare capacity in terms of optical power, we detail several design and alignment considerations that aid in maximizing the throughput of the system. We also discuss our protocol for obtaining the spatial and temporal overlap of the signal and pump beams within the Kerr medium, as well as a detailed protocol for spectral acquisition. Finally, we report a few representative results of Raman spectra obtained in the presence of strong fluorescence using our time-gating system.

We discuss the construction and operation of a complex nonlinear optical
system that uses ultrafast all-optical switching to isolate Raman from fluorescence
signals. Using this system we are able to successfully separate Raman and fluorescence
signals utilizing pulse energies and average powers that remain biologically safe.

공명과 자연 래맨 Microspectroscopy에 형광 배경 거부

Raman spectroscopy is often plagued by a strong fluorescent background, particularly for biological samples. If a sample is excited with a train of ...

연구

생체공학

High Precision FRET at Single-molecule Level for Biomolecule Structure Determination

A protocol on how to perform high-precision interdye distance measurements using F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) at the single-molecule level in multiparameter fluorescence detection (MFD) mode is presented here. MFD maximizes the usage of all &#34;dimensions&#34; of fluorescence to reduce photophysical and experimental artifacts and allows for the measurement of interdye distance with an accuracy up to ~1 &#197; in rigid biomolecules. This method was used to identify three conformational states of the ligand-binding domain of the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor to explain the activation of the receptor upon ligand binding. When comparing the known crystallographic structures with experimental measurements, they agreed within less than 3 &#197; for more dynamic biomolecules. Gathering a set of distance restraints that covers the entire dimensionality of the biomolecules would make it possible to provide a structural model of dynamic biomolecules.

A protocol for high-precision FRET experiments at the single molecule level is presented here. Additionally, this methodology can be used to identify three conformational states in the ligand-binding domain of the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor. Determining precise distances is the first step towards building structural models based on FRET experiments.

생체 분자 구조 결정을위한 단일 분자 수준의 고정밀 FRET

A protocol on how to perform high-precision interdye distance measurements using F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) at the single-molecule ...

생화학

Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards understanding its mechanism. Protonation and conformational changes affect the vibration pattern of amino acid side chains and of the peptide bond, respectively, both of which can be probed by infrared (IR) difference spectroscopy. For proteins whose function can be repetitively and reproducibly triggered by light, it is possible to obtain infrared difference spectra with (sub)microsecond resolution over a broad spectral range using the step-scan Fourier transform infrared technique. With ~102-103 repetitions of the photoreaction, the minimum number to complete a scan at reasonable spectral resolution and bandwidth, the noise level in the absorption difference spectra can be as low as ~10-4, sufficient to follow the kinetics of protonation changes from a single amino acid. Lower noise levels can be accomplished by more data averaging and/or mathematical processing. The amount of protein required for optimal results is between 5-100 &#181;g, depending on the sampling technique used. Regarding additional requirements, the protein needs to be first concentrated in a low ionic strength buffer and then dried to form a film. The protein film is hydrated prior to the experiment, either with little droplets of water or under controlled atmospheric humidity. The attained hydration level (g of water / g of protein) is gauged from an IR absorption spectrum. To showcase the technique, we studied the photocycle of the light-driven proton-pump bacteriorhodopsin in its native purple membrane environment, and of the light-gated ion channel channelrhodopsin-2 solubilized in detergent.

Key steps of protein function, in particular backbone conformational changes and proton transfer reactions, often take place in the microsecond to millisecond time scale. These dynamical processes can be studied by time-resolved step-scan Fourier-transform infrared spectroscopy, in particular for proteins whose function is triggered by light.

에 의해 감광성​​ 단백질의 양성자 이동과 단백질 입체 구조 역학 시간 분해 적외선 분광학에게 푸리에 변환 단계 - 스캔

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards ...

공학

Atomic Force Microscopy of Red-Light Photoreceptors Using PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping

Atomic force microscopy (AFM) uses a pyramidal tip attached to a cantilever to probe the force response of a surface. The deflections of the tip can be measured to ~10 pN by a laser and sectored detector, which can be converted to image topography. Amplitude modulation or &#8220;tapping mode&#8221; AFM involves the probe making intermittent contact with the surface while oscillating at its resonant frequency to produce an image. Used in conjunction with a fluid cell, tapping-mode AFM enables the imaging of biological macromolecules such as proteins in physiologically relevant conditions. Tapping-mode AFM requires manual tuning of the probe and frequent adjustments of a multitude of scanning parameters which can be challenging for inexperienced users. To obtain high-quality images, these adjustments are the most time consuming.
PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping (PF-QNM) produces an image by measuring a force response curve for every point of contact with the sample. With ScanAsyst software, PF-QNM can be automated. This software adjusts the set-point, drive frequency, scan rate, gains, and other important scanning parameters automatically for a given sample. Not only does this process protect both fragile probes and samples, it significantly reduces the time required to obtain high resolution images. PF-QNM is compatible for AFM imaging in fluid; therefore, it has extensive application for imaging biologically relevant materials.
The method presented in this paper describes the application of PF-QNM to obtain images of a bacterial red-light photoreceptor, RpBphP3 (P3), from photosynthetic R. palustris in its light-adapted state. Using this method, individual protein dimers of P3 and aggregates of dimers have been observed on a mica surface in the presence of an imaging buffer. With appropriate adjustments to surface and/or solution concentration, this method may be generally applied to other biologically relevant macromolecules and soft materials.

A method for investigating the structure of a protein photoreceptor using atomic force microscopy (AFM) is described in this paper. PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping (PF-QNM) reveals intact protein dimers on a mica surface.

PeakForce 양적 나노 기계 대지 매핑을 사용하여 붉은 빛이 광수의 원자 힘 현미경

Atomic force microscopy (AFM) uses a pyramidal tip attached to a cantilever to probe the force response of a surface. The deflections of the tip can be ...

Single-Molecule F&ouml;rster Resonance Energy Transfer Methods for Real-Time Investigation of the Holliday Junction Resolution by GEN1

Bulk methods measure the ensemble behavior of molecules, in which individual reaction rates of the underlying steps are averaged throughout the population. Single-molecule F&#246;rster resonance energy transfer (smFRET) provides a recording of the conformational changes taking place by individual molecules in real-time. Therefore, smFRET is powerful in measuring structural changes in the enzyme or substrate during binding and catalysis. This work presents a protocol for single-molecule imaging of the interaction of a four-way Holliday junction (HJ) and gap endonuclease I (GEN1), a cytosolic homologous recombination enzyme. Also presented are single-color and two-color alternating excitation (ALEX) smFRET experimental protocols to follow the resolution of the HJ by GEN1 in real-time. The kinetics of GEN1 dimerization are determined at the HJ, which has been suggested to play a key role in the resolution of the HJ and has remained elusive until now. The techniques described here can be widely applied to obtain valuable mechanistic insights of many enzyme-DNA systems.

Single-Molecule F&#246;rster Resonance Energy Transfer Methods for Real-Time Investigation of the Holliday Junction Resolution by GEN1

Presented here is a protocol for performing single-molecule F&#246;rster resonance energy transfer to study HJ resolution. Two-color alternating excitation is used for determining the dissociation constants. Single-color time lapse smFRET is then applied in real-time cleavage assays to obtain the dwell time distribution prior to HJ resolution.

GEN1에 의한 홀리데이 정션 분해능의 실시간 조사를 위한 단일 분자 Förster 공명 에너지 전송 방법

Bulk methods measure the ensemble behavior of molecules, in which individual reaction rates of the underlying steps are averaged throughout the ...

유전학

Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection

The ability to perform simultaneous resonant excitation and fluorescence detection is important for quantum optical measurements of quantum dots (QDs). Resonant excitation without fluorescence detection &#8211; for example, a differential transmission measurement &#8211; can determine some properties of the emitting system, but does not allow applications or measurements based on the emitted photons. For example, the measurement of photon correlations, observation of the Mollow triplet, and realization of single photon sources all require collection of the fluorescence. Incoherent excitation with fluorescence detection &#8211; for example, above band-gap excitation &#8211; can be used to create single photon sources, but the disturbance of the environment due to the excitation reduces the indistinguishability of the photons. Single photon sources based on QDs will have to be resonantly excited to have high photon indistinguishability, and simultaneous collection of the photons will be necessary to make use of them. We demonstrate a method to resonantly excite a single QD embedded in a planar cavity by coupling the excitation beam into this cavity from the cleaved face of the sample while collecting the fluorescence along the sample&#39;s surface normal direction. By carefully matching the excitation beam to the waveguide mode of the cavity, the excitation light can couple into the cavity and interact with the QD. The scattered photons can couple to the Fabry-Perot mode of the cavity and escape in the surface normal direction. This method allows complete freedom in the detection polarization, but the excitation polarization is restricted by the propagation direction of the excitation beam. The fluorescence from the wetting layer provides a guide to align the collection path with respect to the excitation beam. The orthogonality of the excitation and detection modes enables resonant excitation of a single QD with negligible laser scattering background.

Resonant excitation of a single self-assembled quantum dot can be achieved using an excitation mode orthogonal to the fluorescence collection mode. We demonstrate a method using the waveguide and Fabry-Perot modes of a planar microcavity surrounding the quantum dots. The method allows complete freedom in the detection polarization.

직교 여기 및 탐지를 사용 하 여 평면 캐비티에 InGaAs 양자 점의 공명 형광

The ability to perform simultaneous resonant excitation and fluorescence detection is important for quantum optical measurements of quantum dots (QDs). ...

Ultrafast Time-resolved Near-IR Stimulated Raman Measurements of Functional &#960;-conjugate Systems

Femtosecond time-resolved stimulated Raman spectroscopy is a promising method of observing the structural dynamics of short-lived transients with near infrared (near-IR) transitions, because it can overcome the low sensitivity of spontaneous Raman spectrometers in the near-IR region. Here, we describe technical details of a femtosecond time-resolved near-IR multiplex stimulated Raman spectrometer that we have recently developed. A description of signal generation and optimization, measurement, data acquisition, and calibration and correction of recorded data is provided as well. We present an application of our spectrometer to analyze the excited-state dynamics of &#946;-carotene in toluene solution. A C=C stretch band of &#946;-carotene in the second lowest excited singlet (S2) state and the lowest excited singlet (S1) state is clearly observed in the recorded time-resolved stimulated Raman spectra. The femtosecond time-resolved near-IR stimulated Raman spectrometer is applicable to the structural dynamics of &#960;-conjugate systems from simple molecules to complex materials.

Details of signal generation and optimization, measurement, data acquisition, and data handling for a femtosecond time-resolved near-IR stimulated Raman spectrometer are described. A near infrared stimulated Raman study on the excited-state dynamics of &#946;-carotene in toluene is shown as a representative application.

기능성 π-컨쥬게이트 시스템의 초고속 시간 해결 근거리 자극 라만 측정

Femtosecond time-resolved stimulated Raman spectroscopy is a promising method of observing the structural dynamics of short-lived transients with near ...

화학

High-Resolution Neutron Spectroscopy to Study Picosecond-Nanosecond Dynamics of Proteins and Hydration Water

Neutron scattering offers the possibility to probe the dynamics within samples for a wide range of energies in a nondestructive manner and without labeling other than deuterium. In particular, neutron backscattering spectroscopy records the scattering signals at multiple scattering angles simultaneously and is well suited to study the dynamics of biological systems on the ps-ns timescale. By employing D2O-and possibly deuterated buffer components-the method allows monitoring of both center-of-mass diffusion and backbone and side-chain motions (internal dynamics) of proteins in liquid state.
Additionally, hydration water dynamics can be studied by employing powders of perdeuterated proteins hydrated with H2O. This paper presents the workflow employed on the instrument IN16B at the Institut Laue-Langevin (ILL) to investigate protein and hydration water dynamics. The preparation of solution samples and hydrated protein powder samples using vapor exchange is explained. The data analysis procedure for both protein and hydration water dynamics is described for different types of datasets (quasielastic spectra or fixed-window scans) that can be obtained on a neutron backscattering spectrometer.
The method is illustrated with two studies involving amyloid proteins. The aggregation of lysozyme into &#181;m sized spherical aggregates-denoted particulates-is shown to occur in a one-step process on the space and time range probed on IN16B, while the internal dynamics remains unchanged. Further, the dynamics of hydration water of tau was studied on hydrated powders of perdeuterated protein. It is shown that translational motions of water are activated upon the formation of amyloid fibers. Finally, critical steps in the protocol are discussed as to how neutron scattering is positioned regarding the study of dynamics with respect to other experimental biophysical methods.

Neutron backscattering spectroscopy offers a nondestructive and label-free access to the ps-ns dynamics of proteins and their hydration water. The workflow is presented with two studies on amyloid proteins: on the time-resolved dynamics of lysozyme during aggregation and on the hydration water dynamics of tau upon fiber formation.

단백질과 수화수의 피코초-나노초 역학을 연구하기 위한 고분해능 중성자 분광법

Neutron scattering offers the possibility to probe the dynamics within samples for a wide range of energies in a nondestructive manner and without ...

In vivo Quantification of G Protein Coupled Receptor Interactions using Spectrally Resolved Two-photon Microscopy

The study of protein interactions in living cells is an important area of research because the information accumulated both benefits industrial applications as well as increases basic fundamental biological knowledge. F&ouml;rster (Fluorescence) Resonance Energy Transfer (FRET) between a donor molecule in an electronically excited state and a nearby acceptor molecule has been frequently utilized for studies of protein-protein interactions in living cells. The proteins of interest are tagged with two different types of fluorescent probes and expressed in biological cells. The fluorescent probes are then excited, typically using laser light, and the spectral properties of the fluorescence emission emanating from the fluorescent probes is collected and analyzed. Information regarding the degree of the protein interactions is embedded in the spectral emission data. Typically, the cell must be scanned a number of times in order to accumulate enough spectral information to accurately quantify the extent of the protein interactions for each region of interest within the cell. However, the molecular composition of these regions may change during the course of the acquisition process, limiting the spatial determination of the quantitative values of the apparent FRET efficiencies to an average over entire cells. By means of a spectrally resolved two-photon microscope, we are able to obtain a full set of spectrally resolved images after only one complete excitation scan of the sample of interest. From this pixel-level spectral data, a map of FRET efficiencies throughout the cell is calculated. By applying a simple theory of FRET in oligomeric complexes to the experimentally obtained distribution of FRET efficiencies throughout the cell, a single spectrally resolved scan reveals stoichiometric and structural information about the oligomer complex under study. Here we describe the procedure of preparing biological cells (the yeast Saccharomyces cerevisiae) expressing membrane receptors (sterile 2 &alpha;-factor receptors) tagged with two different types of fluorescent probes. Furthermore, we illustrate critical factors involved in collecting fluorescence data using the spectrally resolved two-photon microscopy imaging system. The use of this protocol may be extended to study any type of protein which can be expressed in a living cell with a fluorescent marker attached to it.

In vivo Quantification of G Protein Coupled Receptor Interactions using Spectrally Resolved Two-photon Microscopy

By employing a spectrally resolved two-photon microscopy imaging system, pixel-level maps of F&ouml;rster Resonance Energy Transfer (FRET) efficiencies are obtained for cells expressing membrane receptors hypothesized to form homo-oligomeric complexes. From the FRET efficiency maps, we are able to estimate stoichiometric information about the oligomer complex under study.

Spectrally 해결된 두 광자 현미경을 사용하여 G 단백질 결합 수용체 상호 작용의 생체내 부량에서

The study of protein interactions in living cells is an important area of research because the information accumulated both benefits industrial ...

생물학

Localized Surface Plasmon Resonance Imaging to Detect Protein Secretions from a Single Cell

Source: Raghu, D. et al., <a href="https://app.jove.com/v/53120">A Label-free Technique for the Spatio-temporal Imaging of Single Cell Secretions.</a> J. Vis. Exp.&#160;(2015)
This video demonstrates localized surface plasmon resonance imaging to detect protein secretions from a single cell. Using a microfluidic setup and a peptide-bound plasmonic nanostructure chip, changes in reflected light intensity at the resonance angle reveal interactions with secreted proteins from a single cell.

높은 해상도 포논 도움을 준 공명 형광 분광학

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공명과 자연 래맨 Microspectroscopy에 형광 배경 거부

생체 분자 구조 결정을위한 단일 분자 수준의 고정밀 FRET

에 의해 감광성 단백질의 양성자 이동과 단백질 입체 구조 역학 시간 분해 적외선 분광학에게 푸리에 변환 단계 - 스캔

PeakForce 양적 나노 기계 대지 매핑을 사용하여 붉은 빛이 광수의 원자 힘 현미경

GEN1에 의한 홀리데이 정션 분해능의 실시간 조사를 위한 단일 분자 Förster 공명 에너지 전송 방법

직교 여기 및 탐지를 사용 하 여 평면 캐비티에 InGaAs 양자 점의 공명 형광

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