Name: resonance fluorescence of an ingaas quantum dot in a planar cavity using orthogonal excitation and detection
Uploaded: 2017-10-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 57 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection at JoVE.com

Os autores gostaria de reconhecer o Glenn S. Solomon para fornecer a amostra. Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation (DMR-1452840).

atenção: por favor, esteja ciente dos possíveis perigos de dispersão do laser durante o alinhamento. Use óculos de segurança adequado para proteção. Para facilitar o processo de alinhamento, um visualizador de infravermelho (IR-visualizador) é necessário. Uma placa fluorescente sensível IR também é útil, mas não necessário.
 1. preparação da amostra <ol><li>uso um diamante escriba tornar um arranhão minúsculo na borda da superfície superior da amostra no local desejado do cleave. Use dois pares de pinças de cerdas chatas para manter a amostra em ambos os lados da risque. Aplique um binário de rotação para fora com a pinça e a amostra será cleave. 
	Nota: Um longo arranhão é desnecessário para promover a clivagem, e provavelmente cortará através da camada de waveguide, tornando impossível a luz de acoplamento. O rosto clivado é delicado o suficiente para que qualquer toque em sua superfície pode danificar o rosto waveguide.</li>
	<li>Prenda o pedaço de amostra clivada em uma placa de cobre amostra usando tinta prateada termicamente condutiva ou epóxi prata. 
	Nota: O rosto clivado deve ser nivelado com a borda da placa de montagem, para que o laser de excitação vai bater o rosto de amostra sem interferência.</li>
	<li>Montar a placa de cobre em criostato, de modo que tanto o rosto clivado e a superfície da amostra são opticamente acessíveis através das janelas do criostato.</li>
</ol> 2. Alinhamento de ressonância excitação caminho Nota: para maximizar a eficiência de acoplamento na waveguide, o perfil do feixe incidente excitação tem que ser combinado com o de um imaginário que ao contrário de propagação feixe saindo a waveguide.
<ol><li>Grosseiro alinhamento do feixe de laser de excitação no rosto clivada da amostra.
	<ol><li>Use os graus de liberdade do acoplador da fibra óptica FC0 e espelho M0 para direcionar o feixe de excitação no rosto clivado da amostra antes das lentes de excitação instaladas.</li>
		<li>Nível do feixe de excitação horizontalmente, tanto no que diz respeito a tabela óptica e em relação ao plano da amostra.</li>
	</ol></li> <li>Instalação do objectivo de excitação E obj <ol><li>colocar a lente aspheric E obj em um monte de translação com três graus de liberdade translação. Centro E obj do laser e definir a altura do E obj será o mesmo como o centro da amostra.</li>
		<li>Configurar uma tela de papel branco por trás da amostra ao longo do caminho da excitação. Usar um visualizador de IR para observar um ponto brilhante no papel devido a luz do laser passando pela amostra.</li>
		Deslize E obj em direção a amostra lentamente até uma imagem clara da silhueta da amostra pode ser vista no papel de <li>. Ajuste a posição de altura e lateral do E obj para centralizar a silhueta no meio da mancha brilhante.</li>
		<li>Continue deslizando E obj em direção a amostra lentamente, e a imagem de silhueta na tela uma ampliação de experiências. Enquanto isso, ajuste a posição lateral do E obj (esquerda/direita) para compensar o deslocamento horizontal da imagem silhueta. 
		Nota: Durante o movimento lento da E obj à amostra, franjas de difração começarão aparecer em algum momento. Isto fornece uma nova referência para colocar o ponto focado na camada de superfície da amostra.</li>
		<li>Continue deslizando E obj em direção a amostra lentamente. Em cada local de E obj, turno E obj esquerda/direita aumentar o espaçamento entre as franjas até que haja apenas uma franja visível para procurar as franjas na tela. 
		Nota: Haverá dois grupos de franjas, um à esquerda e outra à direita da superfície da amostra.</li>
		<li>Localizar E deslize obj Eobj numa posição que minimize o número de franjas visíveis.</li>
	</ol></li> <li>Alinhamento das lentes de telescópio E1 e E2 <ol><li>Inserir o caminho da excitação centrado sobre o feixe de laser lentes E1 e E2. Posição E2 separou E obj pela soma de suas distâncias focais. Definir a separação entre E1 e E2 para a soma de suas distâncias focais, por exemplo, f 1 + f 2 = 150 mm.</li> <li>observar a silhueta e difração padrão no papel com um visualizador de IR. Ajustar a altura de E1 para centralizar a silhueta no centro do ponto do laser brilhante iluminação.</li>
		<li>E2 deslize em direção ou para longe E1 enquanto ajusta a posição lateral de E1. Seguro E1 e E2 em posições que ambos fringe grupos desaparecer ou mostrar um número mínimo de franjas na vista...</li> <li>Inserir um polarizador orientado verticalmente POL antes E1 e centralizá-lo sobre o feixe de excitação... Nota: alguns polarizadores têm um ângulo de cunha ligeira, em que caso o feixe de excitação vai experimentar um desvio angular. Use o E1 e E2 para compensar este desvio.</li>
	</ol></li></ol> 3. Alinhamento de fotoluminescência coleção caminho Nota: O desempenho do sistema de imagem construído no caminho de coleção é determinado principalmente pela precisão do posicionamento do L obj por causa de sua distância focal curta ( f obj = 10mm, at = 0,55). Duas etapas gerais estão envolvidas no alinhamento de L obj: grosseiro alinhamento usando um laser aqui vai e ajustes bem usando o iluminador e a emissão de exciton granel de GaAs. Estas etapas de alinhamento são realizadas com a amostra em temperatura ambiente.
<ol><li>Alinhamento do caminho de excitação de banda-lacuna (aqui vai) e instalação da câmera acima: <ol><li>par um feixe de laser de banda-lacuna acima (aqui vai) em uma fibra de modo único.</li>
		<li>Direcionar o feixe de saída do colimador de fibra FC1 sobre a amostra através de um espelho M3.</li>
		Ponto de <li>tilt FC1 horizontalmente para centralizar o laser sobre a amostra de cerca de 1 mm afastada do bordo clivado. Incline o M3 na horizontal para deslocar a reflexão traseira do feixe de laser para ser apenas acima ou abaixo do feixe incidente. Repita este processo várias vezes até que ambos os critérios.</li>
		<li>Tilt FC1 e M3 verticalmente para nivelar o feixe aqui vai em relação à tabela óptica e mantenha ele dirigido para a amostra.</li>
		<li>Usar o Visualizador de IR para localizar tanto o laser ressonante e os pontos de laser aqui vai na amostra. Verifique se o centro do ponto do laser aqui vai está à mesma altura como o ponto ressonante do laser. Se não, use FC1 e M3 para coincidir com as alturas de feixe, mantendo o feixe aqui vai nível com a tabela.</li>
		<li>-De polarização feixe divisor cubo (90:10), NPBS, insira o caminho aqui vai. Centro do cubo no feixe incidente aqui vai.</li>
		<li>Localizar dois feixes na saída do divisor de feixe para o caminho de coleção, uma reflexão da amostra e outra de reflexão interna dentro do cubo.</li>
		<li>Rodar o cubo por um ângulo pequeno (~ 5 graus), tal que os dois feixes podem ser facilmente separados na saída. A luz refletida da superfície da amostra pode ser usada como um guia bruto para alinhar a câmera. 
		Nota: A direção do raio refletido internamente não mudará quando o cubo é girado em torno do eixo vertical.</li>
		<li>Nível do cubo em relação a guia ópticoLe, garantindo o feixe aqui vai correspondente para a reflexão interna dentro do cubo está à mesma altura como o feixe de entrada.</li>
		Câmera <li>colocar um sensível IR no caminho das costas refletido aqui vai feixe. Use um tubo de lente L cam com uma distância focal de 200 mm para focar a imagem de amostra para a câmera. 
		Nota: Um sistema de tubos construídos em casa é usado para abrigar a lente L cam, como mostrado na Figura 1, que impede que a luz vadio quarto sendo detectado pela câmera.</li>
		<li>Configurar um 800 nm long-filtro passa, F1, na frente de L cam para filtrar para fora o aqui vai leve, que permite a observação do PL da amostra com a câmera.</li>
	</ol></li> <li>Instalação e otimização da posição da lente L obj <ol><li>colocar a lente aspheric L obj em um monte de translação com três graus de liberdade translação. Centro L obj do laser aqui vai e definir a separação da amostra para ser a distância focal, f obj = 10 mm.</li>
		<li>Set up lente par L1 e L2 (f 1 = f 2 = 50 mm) usando uma montagem translacional de X-Y, onde um lado é fixo e o outro lado é móvel no plano lateral controlado por micrômetros. 
		Nota: A lente L2 entra o lado móvel do monte. L1 é realizada por um tubo de lente e ligados à parte fixa do monte. O sistema de tubo fornece a liberdade para ajustar a distância entre as duas lentes parafusando/saída do tubo de lente segurando L1 ao longo do eixo óptico.</li>
		<li>Definir a distância entre as duas lentes para ser 100mm. L2 situado no centro do Monte ajustando os micrômetros.</li>
		<li>Inserir o caminho aqui vai entre NPBS e o criostato o combo lente L1 e L2. Defina a distância entre L1 e L obj deve ser f obj + f 1. Centro de L1 e L2 no incidente aqui vai luz.</li>
		<li>Inserir o iluminador e pellicle o caminho de coleção, conforme mostrado na Figura 1. Definir a distância entre a lente K4 e L2 para ser a soma de suas distâncias focais.</li>
		<li>Centro do feixe de iluminação na L2, ajustando o ângulo do iluminador.</li>
		<li>Ajustar o ângulo do pellicle centro costas refletido iluminação luz visível na imagem da câmera para o PL mancha causada por aqui vai excitação. 
		Nota: Para efeitos de alinhamento, um pode fechar o diafragma de campo para localizar o centro da área iluminada.</li>
		<li>Usando apenas a luz do iluminador, encontrar um defeito de superfície ou poeira na amostra, olhando para a câmera. Outras partes da amostra da pesquisa conforme necessário movendo lateralmente o L2.</li>
		<li>Bata ligeiramente L obj em/fora ao longo do eixo óptico para fazer a borda do defeito ou poeira nítida.</li>
		<li>Shift L2 de volta ao centro do monte.</li>
		<li>Vista a PL de excitação por aqui vai manchar a câmera e mover L obj horizontalmente, de modo que o ponto do PL é 1-2 mm da extremidade clivada da amostra. 
		Nota: Para uma distância inferior a 1 mm, a dispersão de laser da extremidade clivada da amostra iria ser coletada pelo objectivo L obj. Enquanto que para uma distância longe da face entalhada, o feixe de excitação pode experimentar atenuação antes de atingir o QD, que reduz o poder de excitação máxima disponível.</li>
		<li>L2 deslocar horizontalmente até a borda clivada da amostra é mostrado a câmera sob iluminação.</li>
		<li>Lentamente turno L obj verticalmente para procurar um ponto na extremidade clivada da amostra, que é causada pelo espalhamento do feixe de excitação ressonante na face clivada da amostra de laser brilhante.</li>
		<li>Nível local PL causado pela excitação de aqui vai para o ponto na extremidade clivada de laser brilhante da amostra.</li>
	</ol></li> <li>Realinhamento do caminho no que diz respeito a nova localização da excitação aqui vai L obj . 
	Nota: Para maximizar a área scannable e minimizar a vinheta, é necessário re-centralizar a ótica de excitação e o feixe de excitação com relação a localização do L obj.
	<ol><li>Remover L1 e L2. Centro o feixe de excitação na L obj assegurando o feixe é na direção normal superfície da amostra.</li>
		<li>Centro de L2 na montagem. Centro tanto L1 e L2 no feixe incidente da excitação. Definir a distância entre L1 e L obj para ser a soma de duas distâncias focais, ou seja, f 1 + f obj.</li>
		<li>Reposição L cam tal que está centrada na refletido aqui vai transportar. Reposicionar a câmera, tal que o aqui vai animado PL (uso um filtro de passa-tempo) é centrado na imagem.</li>
		<li>Ajustar o ângulo do iluminador e o pellicle para centralizar a iluminação luz na L2 e na PL mancha causada por aqui vai excitação.</li>
	</ol></li> <li>Alinhamento dos espelhos M1 e M2. 
	Nota: Um laser dirigido para trás através do espectrômetro facilitam o alinhamento.
	<ol><li>PL monitor aqui vai a excitação da amostra para a câmera. Centro de uma íris (Iris A) sobre o PL entre o pellicle e M1.</li>
		<li>Centro de lente L especificação na trave reversa e colocá-lo uma distância focal f especificação longe da fenda de entrada do espectrómetro.</li>
		<li>Enviar o feixe reverso do espectrómetro para a amostra por refletindo de dois espelhos, M1 e M2.</li>
		<li>Configurar outro íris (Iris B) entre M2 e L especificação e centro que na trave reversa.</li>
		<li>Orientar M2 para centralizar o inverso do feixe na Iris A. orientar M1 para centralizar o PL na Iris B. Repeat este processo várias vezes até que ambos os critérios forem satisfeitos.</li>
		<li>Localizar o centro da fenda de entrada (30 μm de largura) do espectrómetro sobre o CCD, monitorando a ordem zero difração da luz quarto.</li>
		<li>Abrir a fenda de entrada do espectrómetro. Usando um filtro de passe longo 800 nm, o PL da amostra sob excitação aqui vai pode ser observado sobre o CCD.</li>
		<li>Steer M1 ao centro este ponto na entrada da fenda do espectrómetro e à altura média do CCD e orientar M2 para centralizar o feixe reverso na Iris A. Repeat este processo várias vezes até que ambos os critérios são atendidos.</li>
		<li>Alinhamento da lente Par L3 e L4: posição L3 no caminho de coleção do PL em um local que é f 2 + f 3 longe da lente L2. Lugar de L4 para o caminho da coleção separado do L3 pela soma de suas distâncias focais, f 3 + f 4. Ajustar a posição lateral de L4 a ponto Centro a PL sobre o CCD.</li>
	</ol></li></ol> 4. Sobreposição do caminho no que diz respeito a caminho de excitação ressonante coleção PL <ol><li>Cool a amostra a 4,2 K. Com a excitação de acima-banda, usar o espectrómetro para identificar o comprimento de onda de emissão da camada de umectação (tipicamente em torno de 880 nm).</li>
	<li>Definir um 800 nm long-pass filtro F1 na frente L cam para bloquear a luz aqui vai. Com a ajuda da luz esclarecedora, deslocamento L2 horizontalmente para localizar a borda clivada da amostra na câmara.</li>
	<li>Definir o comprimento de onda de excitação lado ser ressonante com a camada de umectação. Localizar um ponto brilhante de dispersão na extremidade clivada da amostra na câmara.</li>
	<li>Observar um &#34; padrão de raia &#34; de fotoluminescência na câmera ajustando a posição lateral de E1. Maximizar a intensidade da raia deslocando lateralmente o E1. 
	Nota: O &#34; raia &#34; é a emissão de camada umectante, o que implica que o feixe de excitação é acoplado na waveguide da amostra.</li>
	<li>E1 ajustar verticalmente para mover a raia para coincidir com o ponto de PL causado pela excitação aqui vai.</li>
	<li>Registrar a intensidade da camada de umectação PL. ajustar E2 em uma direção, em seguida, re-otimizar a posição do E1; novamente gravar a intensidade do PL e comparar com o valor anterior.</li>
	<li>Se a intensidade aumentou, repita o ajuste de E2 na mesma direção. Se a intensidade diminuiu, então inverta o ajustamento de E2. Repita este procedimento para encontrar a posição ideal para E1 e E2.</li>
</ol> 5. Excitação ressonante de um único Quantum Dot < classe p = "jove_content"&gt; Nota: Existem duas abordagens possíveis para realizar a ressonância da excitação de um único QD: (1) Sintonize a frequência de excitação do laser para coincidir com uma ressonância QD específica; ou (2) a frequência do laser de varredura em toda as energias de ressonância do conjunto QD até fluorescência de ressonância de um único QD é observada.
<ol><li>Excitação método (1) - alvejado: <ol><li>definir o espectrómetro para monitorar a difração de primeira ordem no centro do comprimento de onda de emissão do ensemble QD sob acima da excitação de band-gap. Abrir a fenda de entrada do espectrómetro.</li>
		<li>Ajuste a potência de excitação a acima-banda até um fundo brilhante aparece devido à excitação da cauda dos Estados camada molhamento contínuo. Fechar a entrada cortou a 30 μm.</li>
		<li>L2 deslocar lateralmente para encontrar um adequado QD - por exemplo, o mais brilhante que no modo de exibição. Gravar o comprimento de onda de λ o QD QD medida pelo espectrómetro.</li>
		<li>Ajustar o comprimento de onda do laser ressonante da excitação de ser o mesmo valor de λ QD. 
		Nota: Muitas vezes, o espectrômetro pode pegar o sinal fraco da dispersão do laser excitação ressonante de ótica. Se não, direcionar uma cisão do feixe de excitação para o espectrómetro.</li>
		<li>Maximizar o QD &#39; intensidade de s PL em sobre o CCD por afinar a frequência do laser excitação. 
		Nota: Para alguns QDs, uma pequena quantidade de luz aqui vai é necessária para permitir que o QD ser ressonantemente animado 10 , 31 , 32. A potência de laser necessária aqui vai geralmente é para baixo - alguns cem nanowatts - que nenhuma fluorescência causada exclusivamente por este feixe aqui vai pode ser detectado pelo CCD.</li>
		<li>Maximizar a intensidade de PL do QD, ajustando a altura e a posição lateral da lente E1 e a posição axial da lente E2. Conjuntamente, otimizar as posições das lentes E1 e E2 para maximizar a intensidade da fluorescência ressonância do QD.</li>
	</ol></li> <li>Método (2) - pesquisando espectral: <ol><li>definir o espectrómetro para monitorar a difração de primeira ordem no centro do comprimento de onda de emissão do ensemble QD. Abrir a fenda de entrada do espectrómetro.</li>
		<li>Sintonizar a frequência do laser da excitação toda a gama de energia do conjunto QD. Um animado ressonantemente QD aparecerá sobre o CCD, como um ponto cercado por par de anéis arejados. Escolher um brilhante QD.</li>
		<li>Maximizar sua intensidade de PL por afinar o comprimento de onda do laser excitação.</li>
		<li>Maximizar a intensidade de PL do ponto ajustando a altura e o lateral posição de E1and a posição axial da lente E2. Conjuntamente, otimizar as posições das lentes E1 e E2 para maximizar a intensidade da fluorescência ressonância do QD.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
	<li>Kuhlmann, A. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+dark-field+microscope+for+background-free+detection+of+resonance+fluorescence+from+single+semiconductor+quantum+dots+operating+in+a+set-and-forget+mode.">A dark-field microscope for background-free detection of resonance fluorescence from single semiconductor quantum dots operating in a set-and-forget mode.</a> Rev. Sci. Instrum. 84 (7), 073905 (2013).</li><li>Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -. Y., Atat&#252;re, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-resolved+quantum-dot+resonance+fluorescence.">Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence.</a> Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).</li><li>Vamivakas, A. 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S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emission+Spectrum+of+a+Dressed+Exciton-Biexciton+Complex+in+a+Semiconductor+Quantum+Dot.">Emission Spectrum of a Dressed Exciton-Biexciton Complex in a Semiconductor Quantum Dot.</a> Phys. Rev. Lett. 101 (2), 027401 (2008).</li><li>Roy-Choudhury, K., Hughes, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+theory+of+the+emission+spectrum+from+quantum+dots+coupled+to+structured+photonic+reservoirs+and+acoustic+phonons.">Quantum theory of the emission spectrum from quantum dots coupled to structured photonic reservoirs and acoustic phonons.</a> Phys. Rev. B. 92 (20), 205406 (2015).</li><li>Ulhaq, A., Weiler, S., Ulrich, S. M., Ro&#223;bach, R., Jetter, M., Michler, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cascaded+single-photon+emission+from+the+Mollow+triplet+sidebands+of+a+quantum+dot.">Cascaded single-photon emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot.</a> Nat. Photonics. 6 (4), 238-242 (2012).</li><li>Ulrich, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dephasing+of+Triplet-Sideband+Optical+Emission+of+a+Resonantly+Driven+InAs/GaAs+Quantum+Dot+inside+a+Microcavity.">Dephasing of Triplet-Sideband Optical Emission of a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot inside a Microcavity.</a> Phys. Rev. Lett. 106 (24), 247402 (2011).</li><li>Atature, M., Dreiser, J., Badolato, A., Hogele, A., Karrai, K., Imamoglu, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum-dot+spin-state+preparation+with+near-unity+fidelity.">Quantum-dot spin-state preparation with near-unity fidelity.</a> Science. 312 (5773), 551-553 (2006).</li><li>Kroner, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resonant+two-color+high-resolution+spectroscopy+of+a+negatively+charged+exciton+in+a+self-assembled+quantum+dot.">Resonant two-color high-resolution spectroscopy of a negatively charged exciton in a self-assembled quantum dot.</a> Phys. Rev. B. 78 (7), 075429 (2008).</li><li>Press, D., Ladd, T. D., Zhang, B., Yamamoto, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Complete+quantum+control+of+a+single+quantum+dot+spin+using+ultrafast+optical+pulses.">Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses.</a> Nature. 456 (7219), 218-221 (2008).</li><li>Sun, S., Waks, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-shot+optical+readout+of+a+quantum+bit+using+cavity+quantum+electrodynamics.">Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics.</a> Physical Review A. 94 (1), 012307 (2016).</li><li>Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heterodyne+measurement+of+resonant+elastic+scattering+from+epitaxial+quantum+dots.">Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots.</a> Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114 (2013).</li><li>Nguyen, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optically+Gated+Resonant+Emission+of+Single+Quantum+Dots.">Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots.</a> Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401 (2012).</li><li>Benisty, H., De Neve, H., Weisbuch, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+planar+microcavity+effects+on+light+extraction-Part+I:+basic+concepts+and+analytical+trends.">Impact of planar microcavity effects on light extraction-Part I: basic concepts and analytical trends.</a> IEEE J. Quantum Elect. 34 (9), 1612-1631 (1998).</li><li>K&#246;hler, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ein+neues+Beleuchtungsverfahren+f&#252;r+mikrophotographische+Zwecke.">Ein neues Beleuchtungsverfahren f&#252;r mikrophotographische Zwecke.</a> Zeitschrift f&#252;r wissenschaftliche Mikroskopie und f&#252;r Mikroskopische Technik. 10 (4), 433-440 (1893).</li><li>K&#246;hler, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+method+of+illumination+for+photomicrographical+purposes.">New method of illumination for photomicrographical purposes.</a> Journal Royal Microscopical Society (Great Britain). 14, 261-262 (1894).</li><li>He, Y. -. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-demand+semiconductor+single-photon+source+with+near-unity+indistinguishability.">On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability.</a> Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).</li></ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

Os passos críticos no protocolo são: a correspondência de modo e alinhamento do feixe de excitação para o modo de guia de ondas; e alinhamento e foco da ótica coleção. As partes mais difíceis destas etapas são o alinhamento inicial; otimizar o acoplamento de uma instalação já alinhado é relativamente simples. As coleção e excitação áreas sobrepostas é uma etapa que é simples, com a capacidade de imagem a amostra na câmera, mas é muito difícil sem esse recurso. A fim de ter alta qualidade imagem, i...

Excitação ressonante de um emissor de quântico único combinado com deteção de fluorescência foi um desafio experimental a longo prazo, principalmente devido à incapacidade de discriminar espectralmente a fraca fluorescência do espalhamento da excitação forte. Essa dificuldade, no entanto, tem sido com sucesso superar na década passada por duas abordagens diferentes: excitação confocal de campo escuro com base na polarização discriminação1,2,3,4 ,5e ortogonal da excitação-detecção baseado no modo espacial discriminação6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Ambas as abordagens demonstram uma forte capacidade para suprimir significativamente a dispersão do laser e, portanto, são amplamente adotadas em várias experiências, por exemplo, a observação da rotação-fóton emaranhamento5,15, 16, demonstração de Estados vestido2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26e manipulação coerente de rotações confinados3,,27,28,29,30. Nenhuma abordagem pode ser aplicada universalmente para todas as situações; cada um é limitado a algumas condições específicas. A técnica de campo escuro utiliza a liberdade de polarização de fótons para suprimir a dispersão de laser de excitação. Esta técnica tem várias vantagens. Por exemplo, não há nenhuma exigência para um modo de guia de ondas bem definidas, que permite a implementação somente confocal. A implementação confocal permite excitação circularmente polarizada e possivelmente mais apertado foco do feixe de excitação no emissor a quântica, resultando em maior intensidade da excitação. No entanto, esse método de polarização-seletiva restringe a polarização de deteção para ser ortogonais para a polarização de excitação e evita uma completa caracterização das propriedades polarização da fluorescência. Em comparação, discriminação de modo espacial preserva a liberdade completa de polarização de deteção, utilizando a ortogonalidade entre os modos de propagação de feixes de excitação e deteção para suprimir a dispersão de laser4. As limitações desta técnica são a necessidade de uma estrutura de waveguide na amostra para fornecer um modo de excitação ortogonal para o modo de detecção e a restrição da polarização da excitação de ser perpendicular à direção de propagação do feixe .
Aqui, demonstramos um protocolo para a construção de uma instalação grátis espaço-ortogonal da excitação-detecção para experimentos de fluorescência de ressonância. Em comparação com o trabalho pioneiro sobre a discriminação de modo espacial onde a fibra óptica foi usada para acoplar luz para a cavidade6, este protocolo fornece uma solução no espaço livre e não requer componentes cinéticos montar qualquer amostra ou a fibra em criostato. Controle fino das direções do feixe a excitação e o caminho de deteção são manipulados por óptica externa para o criostato, enquanto as lentes aspheric singlet atuam como focando objectivos dentro da região fria do criostato. Nós fornecemos imagens representativas das etapas no processo de alcançar ressonância excitação e detecção de fluorescência, de um ponto quântico único chave de alinhamento.
A amostra utilizada para esta demonstração é cultivada por Epitaxia de feixe molecular (MBE). Os pontos quânticos de InGaAs (QDs) são incorporados em um espaçador de GaAs que é delimitado por dois refletores de Bragg distribuídos (DBRs), conforme mostrado na exibição de zoom da amostra na Figura 1. O GaAs espaçador entre os DBRs atua como um guia de ondas, onde o feixe de excitação está confinado por reflexão interna total. As DBRs também atuam como espelhos de alta refletividade para wavevectors que são quase normal ao plano de amostra. Isto dá forma a um modo de Fabry-Perot ao qual as QDs casal quando emitem fluorescência. O modo de Fabry-Perot deve ser ressonante com a emissão de comprimento de onda λ das QDs, que exige o espaçador de GaAs ser um inteiro múltiplo de λ/n, onde n é a índice de refração de GaAs. Para esta demonstração, a espessura do espaçador de GaAs é escolhida para ser 4λ/n, que é aproximadamente 1 µm, a fim de estar perto o tamanho de ponto de difração limitada do feixe incidente da excitação. Um espaçador mais estreito resultaria em uma menor eficiência de acoplamento do feixe de excitação na modalidade waveguide.
A montagem experimental está representada na Figura 1. Para maximizar a eficiência de acoplamento, um objectivo de único-lente aspheric Eobj com abertura numérica at = 0,5 e distância focal de 8 mm é escolhido para concentrar o feixe de excitação no rosto clivado da amostra. A função do Telescópio Kepler (composto por par de lente E1 e E2) no caminho de excitação é duplo: (1) para encher a abertura de excitação objectivo Eobj para o feixe de excitação é fortemente focado para melhor correspondência de modo que o waveguide (em Essa percepção, o diâmetro do feixe colimado é 2,5 mm) e (2) para fornecer três graus de liberdade para manobrar o ponto focal do feixe de excitação na face clivada da amostra. Lente E1 é montado em uma montagem de translação de X-Y que fornece os dois graus de liberdade para deslocar o ponto de excitação livremente no plano da face de amostra clivada. Lente E2 é montado em um zoom não rotativo, que proporciona a liberdade de escolher a profundidade do ponto focal na amostra de habitação. Estes três graus de liberdade nos permitem otimizar a excitação ressonante de um único QD sem a necessidade de movimento da amostra em si.
No caminho de coleção de fluorescência, uma configuração similar da lente (Lobj, L1 e L2) é usada para permitir a detecção de fluorescência de diferentes partes da amostra. A luz da amostra é focada por uma das duas lentes de tubo para qualquer uma IR câmera sensível (Lcam) ou a fenda de entrada do aparelho (Lespecificação). Movimento de L1 ao longo do eixo z ajusta o foco da imagem, e tradução lateral de L2 faz com que a imagem de varredura ao longo do plano da amostra. Os comprimentos focais de L1 e L2 são iguais, então sua ampliação é unidade. Isso é feito para maximizar a gama que L2 pode ser traduzido antes de vinhetas ocorre.
Para facilitar o alinhamento e a localização de um QD, um iluminador de casa construída com base na iluminação de Kohler é incorporado a configuração, como mostrado na Figura 1. O objetivo da iluminação de Kohler é fornecer a iluminação uniforme para a amostra e assegurar que um iMago da fonte de luz de iluminação não é visível na imagem de amostra. As configurações de lente de ambos o iluminador e o caminho de coleção são cuidadosamente projetadas para separar os aviões imagem conjugado da amostra e a fonte de luz. Todas as lentes no caminho de coleção é separadoda de seus vizinhos pela soma de suas distâncias focais. Isso garante que onde quer que a imagem de amostra está em foco – tais como para o sensor da câmera – a imagem da fonte de luz é completamente defocused. Da mesma forma, onde a imagem da fonte de luz está em foco – tal como no plano focal volta do objectivo – a imagem de amostra é completamente desfocada. A fonte de luz é uma comercial luz emitida por diodo (LED) emitindo em 940 nm. O diafragma de abertura permite o ajuste da intensidade da iluminação, e o diafragma de campo determina o campo de visão a ser iluminada. As chaves para realizar a iluminação uniforme são para definir a distância entre a lente K4 e L2 para ser a soma dos comprimentos focais de duas lentes, e para garantir que a abertura de Lobj não é demasiado cheio pela iluminação. Neste protocolo, a iluminação também é usada para otimizar a distância entre Lobj e a amostra.
O objetivo Lobj e qualquer lente tubo fornece uma ampliação de 20 x sobre a câmera ou o espectrômetro. O par de lente L3 e L4 entre Lobj e Lespecificação forma outro telescópio que fornece uma ampliação de 4x extra para a imagem sobre o dispositivo de carga acoplada (CCD) do espectrómetro. A adição de lentes L3 e L4 resulta em uma ampliação total de 80 x, que é necessário distinguir espacialmente fluorescência das proximidades QDs. L3 e L4 é montadas na inversão montagens para facilitar a troca da ampliação porque 20 x ampliação fornece um campo de visão maior sobre a amostra.
Para sobrepor o campo de visão do caminho com o caminho do feixe de excitação através do waveguide coleção, a emissão do continuum do ponto quântico molhar a camada é útil. Um pode determinar o comprimento de onda de emissão da camada umectante medindo-se o espectro de emissão da amostra sob acima da excitação de band-gap. Para nosso exemplo, molhando a emissão de camada ocorre em cerca de 880 nm a 4,2 K. Pelo acoplamento de um feixe de laser de cw em 880 nm na waveguide da amostra, pode-se observar um padrão de raia formada pelo PL da camada de molhamento, que é mostrada neste vídeo. A raia revela o caminho de propagação da luz da excitação que tem sido acoplado na waveguide. A presença desta raia combinada com a capacidade para a superfície da amostra de imagem torna simples, alinhamento.

<table><tbody><tr><td>Tunable external cavity diode laser</td><td>Toptica Photonics</td><td>DL-Pro</td><td></td></tr><tr><td>Closed-cycle cryostat</td><td>Montana Instruments</td><td>Cryostation</td><td></td></tr><tr><td>Spectrometer, 750 mm focal length</td><td>Princeton Instruments</td><td>SpectraPro 2750</td><td></td></tr><tr><td>Thermoelectrically cooled charge-coupled device</td><td>Princeton Instruments</td><td>Pixis 100BR-eXcelon</td><td></td></tr><tr><td>HeNe laser</td><td>JDSU</td><td>1125P</td><td></td></tr><tr><td>Infrared sensitive camera</td><td>Sony</td><td>NEX-5TL</td><td>IR blocking filter removed</td></tr><tr><td>Power meter and detector</td><td>Newport</td><td>1918-C, 918D-IR-OD3</td><td></td></tr><tr><td>Adjustable aspheric fiber collimator</td><td>Thorlabs</td><td>CFC-8X-A</td><td></td></tr><tr><td>Air-Spaced Doublet Collimator</td><td>Thorlabs</td><td>F810APC-842</td><td></td></tr><tr><td>Protected Silver Mirrors x 5</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Flip mounts x 2</td><td>Thorlabs</td><td>FM90</td><td></td></tr><tr><td>Aspheric condenser lens, f = 20 mm; K1</td><td>Thorlabs</td><td>ACL2520-B</td><td></td></tr><tr><td>Best form spherical lens, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2</td><td>Thorlabs</td><td>LBF254-050-B</td><td></td></tr><tr><td>Best form spherical lens, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4</td><td>Thorlabs</td><td>LBF254-100-B</td><td></td></tr><tr><td>Best form spherical lens, f = 200 mm; Lspec, Lcam</td><td>Thorlabs</td><td>LBF254-200-B</td><td></td></tr><tr><td>Plano-convex lens, f = 400 mm; L3</td><td>Thorlabs</td><td>LA1172-B</td><td></td></tr><tr><td>Molded glass aspheric lens, f = 8 mm; Eobj</td><td>Thorlabs</td><td>C240TME-B</td><td></td></tr><tr><td>Precision asphere, f = 10 mm; Lobj</td><td>Thorlabs</td><td>AL1210-B</td><td></td></tr><tr><td>Longpass Filters, 800 nm, x2</td><td>Thorlabs</td><td>FEL0800</td><td></td></tr><tr><td>Non-polarizing beam splitter cube (NPBS)</td><td>Thorlabs</td><td>BS029</td><td></td></tr><tr><td>Pellicle beam splitter</td><td>Thorlabs</td><td>BP108</td><td></td></tr><tr><td>Polarizer</td><td>Thorlabs</td><td>LPNIRE100-B</td><td></td></tr><tr><td>Light emitting diode, 940 nm</td><td>Thorlabs</td><td>M940D2</td><td></td></tr></tbody></table>

resonance fluorescence of an ingaas quantum dot in a planar cavity using orthogonal excitation and detection

A capacidade de executar detecção simultânea de excitação e fluorescência ressonante é importante para medições de óptica quântica de pontos quânticos (QDs). Ressonante excitação sem detecção de fluorescência – por exemplo, uma medição diferencial transmissão – pode determinar algumas propriedades do sistema de emissão, mas não permite que aplicativos ou medições baseadas os fótons emitidos. Por exemplo, a medição de correlações de fóton, observação do trio Mollow e realização de todas as fontes de cada fóton requerem coleção da fluorescência. Excitação incoerente com deteção de fluorescência – por exemplo, acima da excitação de band-gap – pode ser usada para criar fontes de fóton único, mas a perturbação do ambiente devido a excitação reduz a indistinguibilidade dos fótons. Fontes único fóton baseadas em QDs terá que ser ressonantemente animado para ter indistinguibilidade fóton alta e coleta simultânea dos fótons será necessária fazer uso deles. Vamos demonstrar um método para excitar ressonantemente QD um único incorporado numa cavidade planar por acoplamento o feixe de excitação para esta cavidade da face clivada da amostra ao coletar a fluorescência ao longo da direção de normal superfície da amostra. Combinando cuidadosamente o feixe de excitação para o modo de waveguide da cavidade, a luz de excitação pode acoplar na cavidade e interagir com o QD. Os fótons dispersados podem acoplar ao modo de Fabry-Perot da cavidade e fuga na direção normal de superfície. Este método permite total liberdade na polarização da deteção, mas a polarização de excitação é restrito pela direção de propagação do feixe de excitação. A fluorescência da molhadela camada fornece um guia para alinhar o caminho de coleção em relação ao feixe de excitação. A ortogonalidade dos modos de excitação e deteção permite excitação ressonante de um único QD com fundo de dispersão do laser insignificante.

A Figura 1 mostra uma realização particular dos equipamentos necessários para realizar a ressonância da excitação de um ponto quântico único. Outras realizações são possíveis, mas são os componentes críticos: um caminho de excitação para o casal para o waveguide; um caminho de coleção para guiar a fluorescência para detectores; um caminho de excitação confocal para excitar ao longo do caminho da coleção; e um caminho de iluminação par...

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

Excitação ressonante de um ponto único Self montado quântica pode ser conseguida usando um modo de excitação ortogonal para o modo de coleta de fluorescência. Vamos demonstrar um método usando o waveguide e modos de Fabry-Perot de uma microcavidade planar em torno de pontos quânticos. O método permite total liberdade na polarização da deteção.

Fluorescência de ressonância de um ponto de InGaAs quântica em uma cavidade Planar usando deteção e excitação ortogonal

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

resonance-fluorescence-an-ingaas-quantum-dot-planar-cavity-using

Research

JoVE Journal

Engineering

9.1K visualizações.  West Virginia University. Excitação ressonante de um ponto único Self montado quântica pode ser conseguida usando um modo de excitação ortogonal para o modo de coleta de fluorescência. Vamos demonstrar um método usando o waveguide e modos de Fabry-Perot de uma microcavidade planar em torno de pontos quânticos. O método permite total liberdade na polarização da deteção.

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Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the spatial and temporal heterogeneity of molecular behaviors that underlie cellular biology 1-4. To image an individual molecule of interest, it is typically conjugated to a fluorescent tag (dye, protein, bead, or quantum dot) and observed with epifluorescence or total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. While dyes and fluorescent proteins have been the mainstay of fluorescence imaging for decades, their fluorescence is unstable under high photon fluxes necessary to observe individual molecules, yielding only a few seconds of observation before complete loss of signal. Latex beads and dye-labeled beads provide improved signal stability but at the expense of drastically larger hydrodynamic size, which can deleteriously alter the diffusion and behavior of the molecule under study.
Quantum dots (QDs) offer a balance between these two problematic regimes. These nanoparticles are composed of semiconductor materials and can be engineered with a hydrodynamically compact size with exceptional resistance to photodegradation 5. Thus in recent years QDs have been instrumental in enabling long-term observation of complex macromolecular behavior on the single molecule level. However these particles have still been found to exhibit impaired diffusion in crowded molecular environments such as the cellular cytoplasm and the neuronal synaptic cleft, where their sizes are still too large 4,6,7.
Recently we have engineered the cores and surface coatings of QDs for minimized hydrodynamic size, while balancing offsets to colloidal stability, photostability, brightness, and nonspecific binding that have hindered the utility of compact QDs in the past 8,9. The goal of this article is to demonstrate the synthesis, modification, and characterization of these optimized nanocrystals, composed of an alloyed HgxCd1-xSe core coated with an insulating CdyZn1-yS shell, further coated with a multidentate polymer ligand modified with short polyethylene glycol (PEG) chains (Figure 1). Compared with conventional CdSe nanocrystals, HgxCd1-xSe alloys offer greater quantum yields of fluorescence, fluorescence at red and near-infrared wavelengths for enhanced signal-to-noise in cells, and excitation at non-cytotoxic visible wavelengths. Multidentate polymer coatings bind to the nanocrystal surface in a closed and flat conformation to minimize hydrodynamic size, and PEG neutralizes the surface charge to minimize nonspecific binding to cells and biomolecules. The end result is a brightly fluorescent nanocrystal with emission between 550-800 nm and a total hydrodynamic size near 12 nm. This is in the same size range as many soluble globular proteins in cells, and substantially smaller than conventional PEGylated QDs (25-35 nm).

We describe the preparation of colloidal quantum dots with minimized hydrodynamic size for single-molecule fluorescence imaging. Compared to conventional quantum dots, these nanoparticles are similar in size to globular proteins and are optimized for single-molecule brightness, stability against photodegradation, and resistance to nonspecific binding to proteins and cells.

Compactas pontos quânticos para uma única molécula de imagem

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

Engenharia

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.

Rejeição de fundo de fluorescência em Ressonância e microspectroscopy Raman espontâneo

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

Bioengenharia

Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

This paper discusses fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic analysis setup. These structures are based on the formation of a fluorescent quantum-dot (QD) coating on the channel surface of a conventional microcapillary. Silicon QDs are especially attractive for this application, owing in part to their negligible toxicity compared to the II-VI and II-VI compound QDs, which are legislatively controlled substances in many countries. While the ensemble emission spectrum is broad and featureless, an Si-QD film on the channel wall of a capillary features a set of sharp, narrow peaks in the fluorescence spectrum, corresponding to the electromagnetic resonances for light trapped within the film. The peak wavelength of these resonances is sensitive to the external medium, thus permitting the device to function as a refractometric sensor in which the QDs never come into physical contact with the analyte. The experimental methods associated with the fabrication of the fluorescent-core microcapillaries are discussed in detail, as well as the analysis methods. Finally, a comparison is made between these structures and the more widely investigated liquid-core optical ring resonators, in terms of microfluidic sensing capabilities.

Fluorescent-core microcavity sensors employ a high-index quantum-dot coating in the channel of silica microcapillaries. Changes in the refractive index of fluids pumped into the capillary channel cause shifts in the microcavity fluorescence spectrum that can be used to analyze the channel medium.

Síntese e Operação de Fluorescente-core microcavidades de Sensoriamento refractométricos

This paper discusses  fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic  analysis setup. These structures are based on the ...

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.

Nanofabricação de GaAs / AlGaAs Quantum Dots laterais de porta definidos

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

Measurement of Coherence Decay in GaMnAs Using Femtosecond Four-wave Mixing

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, spin-flip scattering) is described, using experiments on GaMnAs as a prototype III-Mn-V system.&#160; Spectrally-resolved and time-resolved experimental configurations are described, including the use of zero-background autocorrelation techniques for pulse optimization.&#160; The etching process used to prepare GaMnAs samples for four-wave mixing experiments is also highlighted.&#160; The high temporal resolution of this technique, afforded by the use of short (20 fsec) optical pulses, permits the rapid spin-flip scattering process in this system to be studied directly in the time domain, providing new insight into the strong exchange coupling responsible for carrier-mediated ferromagnetism.&#160; We also show that spectral resolution of the four-wave mixing signal allows one to extract clear signatures of (s,p)-d hybridization in this system, unlike linear spectroscopy techniques.&#160;&#160; This increased sensitivity is due to the nonlinearity of the technique, which suppresses defect-related contributions to the optical response. This method may be used to measure the time scale for coherence decay (tied to the fastest scattering processes) in a wide variety of semiconductor systems of interest for next generation electronics and optoelectronics.

The technique of femtosecond four-wave mixing is described, including spectrally-resolved and time-resolved configurations. We illustrate the utility of this technique for the investigation of crucial physical properties in the III-V diluted magnetic semiconductors, afforded by its nonlinearity and high temporal resolution.

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, ...

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing its free spectral range (FSR), the module is put in parallel with a fiber taper-microcavity system and then calibrated through isolating and eliminating random shifts in the laser frequency (i.e. laser jitter noise). To realize the taper-microcavity junction and to maximize the optical power that is transferred to the resonator, a single-mode optical fiber waveguide is pulled. Solutions containing polystyrene nanobeads are then prepared and flown to the microcavity in order to demonstrate the system&#8217;s ability to sense binding to the surface of the microcavity. Data is post-processed via adaptive curve fitting, which allows for high-resolution measurements of the quality factor as well as the plotting of time-dependent parameters, such as resonant wavelength and split frequency shifts. By carefully inspecting steps in the time-domain response and shifting in the frequency-domain response, this instrument can quantify discrete binding events.

A reference interferometer technique, which is designed to remove undesirable laser jitter noise for nanodetection, is utilized for probing an ultra-high quality factor microcavity. Instructions for assembly, setup, and data acquisition are provided, alongside the measurement process for specifying the cavity quality factor.

Implementação de um interferômetro de Referência para Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

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.

Quantum Estadual de Engenharia de Luz com onda contínua Optical Parametric osciladores

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

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we demonstrate an optical spectroscopy method that is capable of resolving spectral features beyond that of the spin fine structure and homogeneous linewidth of single quantum dots (QDs) using a standard, easy-to-use spectrometer setup. This method incorporates both laser and photoluminescence spectroscopy, combining the advantage of laser line-width limited resolution with multi-channel photoluminescence detection. Such a scheme allows for considerable improvement of resolution over that of a common single-stage spectrometer. The method uses phonons to assist in the measurement of the photoluminescence of a single quantum dot after resonant excitation of its ground state transition. The phonon&#39;s energy difference allows one to separate and filter out the laser light exciting the quantum dot. An advantageous feature of this method is its straight forward integration into standard spectroscopy setups, which are accessible to most researchers.

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.

-Ressonância Quasi alta resolução Phonon assistida espectroscopia de fluorescência

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

Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising from metallic periodic arrays without involving time-resolved techniques. We have formulated the rates by quantities that can be measured by simple optical measurements. The instrumentation based on angle- and polarization-resolved reflectivity and photoluminescence spectroscopy will be described in detail here. Our approach is intriguing due to its simplicity, which requires routine optics and several mechanical stages, and thus is highly affordable to most of the research laboratories.

This protocol describes the instrumentation for determining the excitation and coupling rates between light emitters and Bloch-like surface plasmon polaritons arising from periodic arrays.

Determinação de excitação e taxas entre emissores de luz e Polaritons de Plasmon de superfície de acoplamento

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising ...

Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species in the ppm-to-single-percent range. The main purpose of the method is the spatially resolved detection of low-concentration species, which have no transitions in the visible or near-IR spectral range that could be used for detection. IR-DFWM is a nonintrusive method, which is a great advantage in combustion research, as inserting a probe into a flame can change it drastically. The IR-DFWM is combined with upconversion detection. This detection scheme uses sum-frequency generation to move the IR-DFWM signal from the mid-IR to the near-IR region, to take advantage of the superior noise characteristics of silicon-based detectors. This process also rejects most of the thermal background radiation. The focus of the protocol presented here is on the proper alignment of the IR-DFWM optics and on how to align an intracavity upconversion detection system.

Here, we present a protocol to perform sensitive, spatially resolved gas spectroscopy in the mid-infrared region, using degenerate four-wave mixing combined with upconversion detection.

Quatro ondas infravermelho degenerada mistura com detecção de Upconversion para detecção de gás quantitativa

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species ...