[發(fā)明專利]一種電子自旋瞬態(tài)信息的探測方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811391179.2
• 申請日: 2018-11-21
• 公開（公告）號: CN109541672B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 梁盼;馮東海;吳真;張圓圓;胡蓉蓉;郭家興
• 申請（專利權(quán)）人: 華東師范大學(xué)
• 主分類號: G01T5/00
• 分類號: G01T5/00
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務(wù)所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發(fā)明公開了一種電子自旋瞬態(tài)信息的探測方法及裝置，該方法尤其用于探測百納秒到百毫秒量級長壽命電子自旋縱向弛豫瞬態(tài)過程，屬激光應(yīng)用技術(shù)和自旋電子學(xué)交叉領(lǐng)域。本發(fā)明的特征是利用周期性連續(xù)切換的左旋、右旋圓偏振激光來激發(fā)材料，導(dǎo)致電子自旋非平衡態(tài)的周期性動態(tài)演化，探測材料的發(fā)光瞬態(tài)過程可以反映不同電子能級之間電子布局數(shù)的演化，進而推測電子自旋弛豫時間和自旋極化度。本發(fā)明具有高探測靈敏度、容易定量分析自旋極化度、能探測長壽命的電子自旋演化和容易探測基態(tài)電子自旋信息等特點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬激光應(yīng)用技術(shù)和自旋電子學(xué)交叉領(lǐng)域，涉及一種電子自旋瞬態(tài)信息探測方法及其裝置；尤其是用于探測百納秒到百毫秒量級長壽命電子自旋縱向弛豫瞬態(tài)過程。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體量子點和稀土離子摻雜固態(tài)體系的電子自旋具有長的自旋壽命，有望用于量子信息處理的固態(tài)實現(xiàn)；利用電子的自旋自由度，有望發(fā)展出新一代以自旋為信息載體的低功耗、高速度、高集成密度的量子器件。近年來，電子自旋的極化及其瞬態(tài)過程的探測引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。

在電子自旋的產(chǎn)生及演化研究中，目前的探測技術(shù)主要包括基于脈沖激光的時間分辨熒光測量和泵浦-探測技術(shù)。時間分辨熒光技術(shù)只能探測激發(fā)態(tài)的電子自旋信息。泵浦-探測技術(shù)包括時間分辨法拉第旋轉(zhuǎn)光譜和時間分辨克爾旋轉(zhuǎn)光譜，基態(tài)和激發(fā)態(tài)的自旋對時間分辨法拉第或克爾旋轉(zhuǎn)光譜都有響應(yīng)。因此，一般情況下泵浦-探測技術(shù)難以區(qū)分基態(tài)和激發(fā)態(tài)的電子自旋信息，而且只能探測較短自旋壽命的瞬態(tài)過程。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種電子自旋瞬態(tài)信息的探測方法及裝置，與基于脈沖激光探測方法所不同的是，其方法利用連續(xù)激光偏振調(diào)制法進行電子自旋瞬態(tài)探測，利用周期性連續(xù)切換的左旋、右旋圓偏振激光激發(fā)材料，導(dǎo)致電子自旋非平衡態(tài)的周期性動態(tài)演化，探測材料的發(fā)光瞬態(tài)過程可以反映不同自旋能級之間電子布局數(shù)的演化，進而推測電子自旋弛豫瞬態(tài)過程時間常數(shù)以及自旋極化度。具有高探測靈敏度、容易定量分析自旋極化度、能探測長壽命的電子自旋瞬態(tài)過程和容易探測基態(tài)電子自旋信息等特點。相對于基于脈沖激光的探測設(shè)備，基于連續(xù)激光的探測方法具有光路簡單和設(shè)備價格低廉的特點。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的就具體方案是：

一種電子自旋瞬態(tài)信息的探測方法，特點是該方法利用一個連續(xù)激光器作為激發(fā)源，激光器的波長共振電子自旋能級的躍遷；激光首先通過一個起偏器、一個電光調(diào)制器和一個1/4波片來獲得在左旋和右旋圓偏振光之間周期性切換的一束光；然后照射到樣品上，樣品發(fā)出的熒光通過一個凸透鏡、一個1/4波片和一個檢偏器進入雪崩光電二極管，雪崩光電二極管將微弱的熒光信號轉(zhuǎn)化成電信號，電信號進入到數(shù)字示波器進行測量，測量示波器上的熒光信號，記錄相同圓偏振激發(fā)-探測條件下的零時刻與穩(wěn)態(tài)時刻的熒光強度，這兩個熒光強度的差與和的比值是基態(tài)電子自旋極化度，記錄不同圓偏振激發(fā)-探測條件下的穩(wěn)態(tài)時刻的熒光強度，這兩個穩(wěn)態(tài)條件下的熒光強度的差與和的比值是激發(fā)態(tài)電子自旋極化度；測量不同激發(fā)功率下的熒光信號，對熒光信號指數(shù)衰減函數(shù)擬合，獲得不同激發(fā)功率下的時間常數(shù)t_R，畫出時間常數(shù)倒數(shù)1/t_R與激發(fā)功率的圖象，對這個圖象進行線性擬合，線性擬合獲得的截距就是自旋壽命倒數(shù)的大小；由此通過探測樣品材料時間分辨的偏振發(fā)光來獲得電子自旋瞬態(tài)信息，包括自旋極化度和自旋壽命。

所述樣品發(fā)出的熒光通過一個1/4波片和一個檢偏器，使探測的熒光設(shè)定在左旋或者右旋圓偏振狀態(tài)。

一種實施上述方法的裝置，該裝置包括連續(xù)激光光源、反射鏡、起偏器、電光調(diào)制器、第一1/4波片、第一凸透鏡、樣品架、第二凸透鏡、第二1/4波片、濾波片、檢偏器、雪崩光電二極管及數(shù)字示波器，所述激光與被測物垂直設(shè)置，反射鏡、起偏器、電光調(diào)制器、第一1/4波片、第一凸透鏡依次設(shè)置于激光光路上；第一1/4波片和第二1/4波片的光軸與線偏振光的偏振方向設(shè)置成45度角；第二凸透鏡、第二1/4波片、濾波片、檢偏器、雪崩光電二極管依次設(shè)置于探測光路上；雪崩光電二極管與數(shù)字示波器之間用BNC數(shù)據(jù)線連接。