[发明专利]一种电子自旋瞬态信息的探测方法及装置

说明书

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。

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t_R，画出时间常数倒数1/t_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光光路上；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。