背景

德國多特蒙德工業(yè)大學(xué)的J?rg Debus團(tuán)隊致力于研究在具備應(yīng)用潛力材料中的光量子信息處理、量子傳感等。該團(tuán)隊主要研究光場下材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)，如量子點(diǎn)、二維材料的量子效應(yīng)，金剛石中的半導(dǎo)體缺陷和稀土離子量子阱等。對于光驅(qū)動自旋電子的量子信息處理，用超短脈沖激光進(jìn)行相干自旋操作需要了解激子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，特別是電子和空穴的g因子: 它定義了量子比特的頻率。除了自旋能級結(jié)構(gòu)外，受限載流子之間的相互作用也至關(guān)重要，自旋弛豫會限制量子信息的處理。

近期，Debus團(tuán)隊對金剛石晶體中氮空位的能量和自旋結(jié)構(gòu)的進(jìn)行了測量實驗。由于其獨(dú)特的電子約束，電子自旋在室溫下展示出超長的相干時間，超過數(shù)秒，該特性非常適合于量子信息和量子傳感等應(yīng)用。因此，了解磁場中不同自旋態(tài)對應(yīng)能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及材料中載流子的相互作用機(jī)制就非常重要。Debus團(tuán)隊使用光譜學(xué)來測量這些特性，并用光譜來解析這些精細(xì)結(jié)構(gòu)。

除了光致發(fā)光光譜，Debus團(tuán)隊還使用了另一種技術(shù)，自旋反轉(zhuǎn)拉曼散射，該技術(shù)類似于普通的拉曼散射，但材料的初始態(tài)和最終態(tài)具有不同的自旋特性。自旋反轉(zhuǎn)信號被檢測到的位置會通過自旋態(tài)的能量差從激發(fā)光的光譜位置偏移。自旋反轉(zhuǎn)拉曼散射不僅可以用來測量自旋能級，還可以用來制備限制在特定自旋態(tài)量子點(diǎn)中的載流子。散射機(jī)制有助于識別電子與空穴之間的自旋相互作用。而且實驗室中的大多數(shù)實驗都是在低溫磁場中進(jìn)行的，可以精確地控制激發(fā)光的能量和偏振。

自旋反轉(zhuǎn)拉曼散射檢測時的TriVista設(shè)置

上圖的拉曼光譜為InGaAs/GaAs量子點(diǎn)中的電子在磁場為8 T和溫度為6 K時的自旋反轉(zhuǎn)信號，1.39 eV (892 nm)激發(fā)，通過液氮冷卻Spec-10 CCD相機(jī)進(jìn)行探測。

挑戰(zhàn)

然而，Debus實驗室的研究不只是專注于一種材料，而是很寬波段的多種材料。該光譜系統(tǒng)需要適應(yīng)信號波長的變化，通過不同激發(fā)波長的激光器或可調(diào)諧激光器，可以獲得足夠高的光譜功率，以解析由外加磁場調(diào)節(jié)的自旋態(tài)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和相互作用的細(xì)節(jié)。

解析精細(xì)結(jié)構(gòu)時會有很多難點(diǎn)，例如，在解析半導(dǎo)體量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)時，量子點(diǎn)大小或形狀的微小變化就會引起由能級分布導(dǎo)致的非均勻展寬。通過調(diào)諧激發(fā)波長與特定量子點(diǎn)的共振，樣品中其他量子點(diǎn)的信號會被抑制，減少光譜展寬。然而，激光會在探測信號的光譜附近。共振自旋反轉(zhuǎn)拉曼散射中的信號也是如此，它與激發(fā)激光線之間僅發(fā)生了幾分之一meV(幾個波數(shù))的輕微偏移。

在激光線附近進(jìn)行光譜測量是極具挑戰(zhàn)性的。彈性散射光的強(qiáng)度往往比信號強(qiáng)得多，會對探測器上微弱信號的檢測產(chǎn)生極大干擾。在檢測之前，必須使用濾光片來降低激光強(qiáng)度。濾光片需要準(zhǔn)確的濾掉激光線并在激光線附近測量信號，而且改變激發(fā)波長需要使用或購買對應(yīng)的濾光片。

方案

Debus團(tuán)隊使用了TriVista TR555三級光譜系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了高分辨率和強(qiáng)的雜散光抑制(針對激光線附近的信號)，而且可以適應(yīng)不斷變化的實驗要求，如不同的材料、激發(fā)和檢測波長。此外，自旋反轉(zhuǎn)拉曼散射信號的強(qiáng)度較低，需要提高光學(xué)器件的效率和探測器的靈敏度。

The TriVista allows us to perform challenging optical spectroscopy with high resolution as close as a few 100 μeV (0.8 cm-1) from the excitation laser line.

TriVista系統(tǒng)由3臺光譜儀組成，與單級相比，光譜分辨率可達(dá)到300%。TriVista的另一種3級模式允許在激光線5cm-1(0.62 meV)附近記錄信號。在這種工作模式下，前2級以某種方式連接在一起，充當(dāng)由第三級頻譜分散的信號帶通濾波器。另外，Debus團(tuán)隊有時會使用單點(diǎn)檢測器(例如PMT)的進(jìn)行檢測，適用于不需要使用CCD檢測的實驗。

TriVista系統(tǒng)可適應(yīng)實驗室不斷變化的實驗要求，能探測從紫外到紅外的任何波段的激光或信號，且無需使用額外對應(yīng)不同波段的濾波片。

TriVista系統(tǒng)還可操作多達(dá)4個信號輸出端口(第一級和第二級各一個，第三級兩個)，且該系統(tǒng)除上述的組合模式外，每個階段都可以相互獨(dú)立操作。

Debus團(tuán)隊使用不同的探測器在不同的輸出端口上探測可見和紅外信號，還通過ICCD，如PIMAX，進(jìn)行納秒分辨率的時間分辨測量。

TriVista系統(tǒng)擁有從紫外到近紅外波段下的高分辨率、高雜散光抑制的能力，且具有多種有效的檢測和操作選項，滿足了Debus團(tuán)隊在量子材料研究過程中各個方面的多種需求和要求。

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審核編輯 黃宇