CN109541672A - 一种电子自旋瞬态信息的探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子自旋瞬态信息的探测方法及装置，该方法尤其用于探测百纳秒到百毫秒量级长寿命电子自旋纵向弛豫瞬态过程，属激光应用技术和自旋电子学交叉领域。本发明的特征是利用周期性连续切换的左旋、右旋圆偏振激光来激发材料，导致电子自旋非平衡态的周期性动态演化，探测材料的发光瞬态过程可以反映不同电子能级之间电子布局数的演化，进而推测电子自旋弛豫时间和自旋极化度。本发明具有高探测灵敏度、容易定量分析自旋极化度、能探测长寿命的电子自旋演化和容易探测基态电子自旋信息等特点。

Description

一种电子自旋瞬态信息的探测方法及装置

技术领域

本发明属激光应用技术和自旋电子学交叉领域，涉及一种电子自旋瞬态信息探测方法及其装置；尤其是用于探测百纳秒到百毫秒量级长寿命电子自旋纵向弛豫瞬态过程。

背景技术

半导体量子点和稀土离子掺杂固态体系的电子自旋具有长的自旋寿命，有望用于量子信息处理的固态实现；利用电子的自旋自由度，有望发展出新一代以自旋为信息载体的低功耗、高速度、高集成密度的量子器件。近年来，电子自旋的极化及其瞬态过程的探测引起了科研工作者的广泛关注。

在电子自旋的产生及演化研究中，目前的探测技术主要包括基于脉冲激光的时间分辨荧光测量和泵浦-探测技术。时间分辨荧光技术只能探测激发态的电子自旋信息。泵浦-探测技术包括时间分辨法拉第旋转光谱和时间分辨克尔旋转光谱，基态和激发态的自旋对时间分辨法拉第或克尔旋转光谱都有响应。因此，一般情况下泵浦-探测技术难以区分基态和激发态的电子自旋信息，而且只能探测较短自旋寿命的瞬态过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子自旋瞬态信息的探测方法及装置，与基于脉冲激光探测方法所不同的是，其方法利用连续激光偏振调制法进行电子自旋瞬态探测，利用周期性连续切换的左旋、右旋圆偏振激光激发材料，导致电子自旋非平衡态的周期性动态演化，探测材料的发光瞬态过程可以反映不同自旋能级之间电子布局数的演化，进而推测电子自旋弛豫瞬态过程时间常数以及自旋极化度。具有高探测灵敏度、容易定量分析自旋极化度、能探测长寿命的电子自旋瞬态过程和容易探测基态电子自旋信息等特点。相对于基于脉冲激光的探测设备，基于连续激光的探测方法具有光路简单和设备价格低廉的特点。

实现本发明目的的就具体方案是：

一种电子自旋瞬态信息的探测方法，特点是该方法利用一个连续激光器作为激发源，激光器的波长共振电子自旋能级的跃迁；激光首先通过一个起偏器、一个电光调制器和一个1/4波片来获得在左旋和右旋圆偏振光之间周期性切换的一束光；然后照射到样品上，样品发出的荧光通过一个凸透镜、一个1/4波片和一个检偏器进入雪崩光电二极管，雪崩光电二极管将微弱的荧光信号转化成电信号，电信号进入到数字示波器进行测量，测量示波器上的荧光信号，记录相同圆偏振激发-探测条件下的零时刻与稳态时刻的荧光强度，这两个荧光强度的差与和的比值是基态电子自旋极化度，记录不同圆偏振激发-探测条件下的稳态时刻的荧光强度，这两个稳态条件下的荧光强度的差与和的比值是激发态电子自旋极化度；测量不同激发功率下的荧光信号，对荧光信号指数衰减函数拟合，获得不同激发功率下的时间常数τ_R，画出时间常数倒数1/τ_R与激发功率的图象，对这个图象进行线性拟合，线性拟合获得的截距就是自旋寿命倒数的大小；由此通过探测样品材料时间分辨的偏振发光来获得电子自旋瞬态信息，包括自旋极化度和自旋寿命。

所述样品发出的荧光通过一个1/4波片和一个检偏器，使探测的荧光设定在左旋或者右旋圆偏振状态。

一种实施上述方法的装置，该装置包括连续激光光源、反射镜、起偏器、电光调制器、第一1/4波片、第一凸透镜、样品架、第二凸透镜、第二1/4波片、滤波片、检偏器、雪崩光电二极管及数字示波器，所述激发光与被测物垂直设置，反射镜、起偏器、电光调制器、第一1/4波片、第一凸透镜依次设置于激发光路上；第一1/4波片和第二1/4波片的光轴与线偏振光的偏振方向设置成45度角；第二凸透镜、第二1/4波片、滤波片、检偏器、雪崩光电二极管依次设置于探测光路上；雪崩光电二极管与数字示波器之间用BNC数据线连接。

本发明的方法与基于脉冲激光探测方法所不同的是，利用连续激光偏振调制法进行电子自旋瞬态探测，利用周期性连续切换的左旋、右旋圆偏振激光激发材料，导致电子自旋非平衡态的周期性动态演化，探测材料的发光瞬态过程可以反映不同自旋能级之间电子布局数的演化，进而推测电子自旋弛豫瞬态过程时间常数以及自旋极化度。具有高探测灵敏度、容易定量分析自旋极化度、能探测长寿命的电子自旋瞬态过程和容易探测基态电子自旋信息等特点。相对于基于脉冲激光的探测设备，基于连续激光的探测方法具有光路简单和设备价格低廉的特点。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明的方法探测Ce³⁺:YAG晶体中Ce³⁺电子自旋瞬态过程结果图；

图3为本发明的方法探测Ce³⁺:YAG晶体中Ce³⁺瞬态发光演化速率1/τ_R随激光功率的实验结果与线性拟合图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。

本发明的探测方法：一束连续激光通过一个起偏器、一个电光调制器和一个1/4波片获得左旋和右旋圆偏振光周期性连续切换，激光波长共振或者近共振于电子自旋能级的跃迁，通过探测材料偏振分辨的发光瞬态过程来反演电子自旋瞬态过程，样品发出的荧光首先通过一个透镜进行荧光收集，再通过一个1/4波片和一个检偏器进入雪崩光电二极管，信号最后进入到数字示波器进行探测；探测的荧光固定在左旋或者右旋圆偏振状态。

参阅图1，实现上述探测方法的装置包括：连续激光器1、反射镜2、起偏器3、电光调制器4、第一1/4波片5、第一凸透镜6、样品架7、第二凸透镜8、第二1/4波片9、滤波片10、检偏器11、雪崩光电二极管12及数字示波器13，所述激发光与被测物垂直设置，反射镜1、起偏器3、电光调制器4、第一1/4波片5、第一凸透镜6依次设置于激发光路上；第一1/4波片5和第二1/4波片9的光轴与线偏振光的偏振方向设置成45度角；第二凸透镜8、第二1/4波片9、滤波片10、检偏器11、雪崩光电二极管12依次设置于探测光路上；雪崩光电二极管12与数字示波器13之间用BNC数据线连接。

所述光源为连续激光，激光波长共振或者近共振于电子自旋能级的跃迁，作用于样品的激光偏振状态为圆偏振，且在左旋和右旋圆偏振之间周期性连续切换。监测样品圆偏振荧光信号；荧光的圆偏振状态通过一个1/4波片和检偏器获得，发光瞬态过程通过一个雪崩二极管和一个数字示波器探测。

本发明的依据：自旋能级之间的跃迁具有偏振选择特性，例如，对于左旋圆偏振激发光来说，其光子角动量为+1，将激发-1/2自旋的电子基态到1/2自旋的电子激发态，这种情况满足角动量守恒定则。同理，对于右旋圆偏振激光而言，其光子角动量为-1，将激发1/2自旋的电子基态到-1/2自旋的电子激发态。因此，圆偏振光可以建立电子自旋极化，左旋与右旋圆偏振光建立方向相反的电子自旋极化。无光场作用下，电子自旋极化度为零。一束圆偏振态的连续激光辐照样品，自旋极化逐渐建立直到达到一个稳态，稳态意味着自旋激发速率与自旋弛豫速率已达到平衡。自旋极化的建立过程反映了电子能级布局数的变化，样品的发光强度也作相应变化。通过求解自旋能级的速率方程，可以将发光瞬态过程和自旋瞬态过程相关联。左旋与右旋圆偏振光必须周期性的连续切换是因为需要让电子自旋保持一个动态的演化，方便示波器探测，否则经过最初的自旋建立过程后，示波器只能观测到一个不变化的稳态数据。

实施例

以YAG晶体掺Ce³⁺离子的自旋探测为例，在波长为473nm的连续激光作用下，电子将获得从基态4f能级到激发态5d能级的跃迁。图1为探测电子自旋瞬态过程的具体装置。其中473nm激光由一个二极管泵浦的低噪声固态连续激光器产生。连续激光源通过一个起偏器、一个电光调制器和一个1/4波片获得周期性连续切换的左旋和右旋圆偏振光；荧光探测窗口设置在528-537nm，通过凸透镜收集发光，滤波片把激发光滤除，荧光通过一个1/4波片和一个检偏器进入雪崩光电二极管，信号最后进入到数字示波器进行探测。

图2为具体实验结果，纵坐标为发光强度，横坐标为时间。探测光偏振始终为左旋圆偏振光，外加纵向磁场30mT，样品温度为5K。左旋圆偏振光激发左旋圆偏振光探测的信号强度大于右旋圆偏振光激发左旋圆偏振光探测，表明Ce³⁺:YAG探测波段的发光具有正的圆偏振极化度。左旋圆偏振光激发左旋圆偏振光探测配置下，信号存在一个明显的发光衰减过程。定义左旋圆偏振光激发与左旋圆偏振光探测在零时刻的荧光强度为I₊(0)，左旋圆偏振光激发与左旋圆偏振光探测在稳态时刻为I₊(∞)，计算基态电子自旋极化度为定义右旋圆偏振光激发与左旋圆偏振光探测在稳态时刻为I_-(∞)，计算激发态电子自旋极化度为获得在30mT的外磁场下，基态电子自旋极化度为1.6％，激发态电子自旋极化度为32％。

图3为具体的自旋寿命实验测量结果，通过指数衰减函数拟合发光瞬态过程数据可以给出时间常数τ_R。求解电子能级速率方程，可以获得关系式其中Q_s是与材料激发态寿命有关的常数，是电子自旋基态的弛豫速率，P₀是激发光功率；1/τ_R与激发光功率P₀线性依赖，即1/τ_R随激发光功率的增加呈线性增加，当激发光功率为零时，1/τ_R的截距即为电子自旋弛豫速率所以，改变激光的功率来获得不同功率下的时间常数τ_R，通过线性拟合激光功率与1/τ_R，获得电子自旋寿命为1.9ms。

至此，通过调制连续激光探测电子自旋的演化信息，已获得[111]方向掺Ce³⁺离子YAG晶体中Ce³⁺离子电子自旋极化度和自旋寿命。

Claims (3)

1.一种电子自旋瞬态信息的探测方法，其特征在于，该方法利用一个连续激光器作为激发源，激光器的波长共振于电子自旋能级的跃迁；激光首先通过一个起偏器、一个电光调制器和一个1/4波片来获得在左旋和右旋圆偏振光之间周期性切换的一束光；然后照射到样品上，样品发出的荧光通过一个凸透镜、一个1/4波片和一个检偏器进入雪崩光电二极管，雪崩光电二极管将微弱的荧光信号转化成电信号，电信号进入到数字示波器进行测量，测量示波器上的荧光信号，记录相同圆偏振激发-探测条件下的零时刻与稳态时刻的荧光强度，这两个荧光强度的差与和的比值是基态电子自旋极化度，记录不同圆偏振激发-探测条件下的稳态时刻的荧光强度，这两个稳态条件下的荧光强度的差与和的比值是激发态电子自旋极化度；测量不同激发功率下的荧光信号，对荧光信号指数衰减函数拟合，获得不同激发功率下的时间常数τ_R，画出时间常数倒数1/τ_R与激发功率的图象，对这个图象进行线性拟合，线性拟合获得的截距就是自旋寿命倒数的大小；由此通过探测样品材料时间分辨的偏振发光来获得电子自旋瞬态信息，包括自旋极化度和自旋寿命。

2.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述样品发出的荧光通过一个1/4波片和一个检偏器，使探测的荧光设定在左旋或者右旋圆偏振状态。

3.一种实施权利要求1所述方法的装置，其特征在于，该装置包括连续激光光源、反射镜、起偏器、电光调制器、第一1/4波片、第一凸透镜、样品架、第二凸透镜、第二1/4波片、滤波片、检偏器、雪崩光电二极管及数字示波器，所述激发光与被测物垂直设置，反射镜、起偏器、电光调制器、第一1/4波片、第一凸透镜依次设置于激发光路上；第一1/4波片和第二1/4波片的光轴与线偏振光的偏振方向设置成45度角；第二凸透镜、第二1/4波片、滤波片、检偏器、雪崩光电二极管依次设置于探测光路上；雪崩光电二极管与数字示波器之间用BNC数据线连接。