ArbeitsgruppenAG OestreichForschungsthemen
Homodyne Spinrauschspektroskopie

Homodyne Spinrauschspektroskopie

Im Zuge der Erfassung der intrinsischen Dynamiken der heikelsten Systeme, wie z. B. einzelner (InGa)As-Quantenpunkte, sind wir an einem Scheide- weg angelegt. Auf der einen Seite entfernt jeder Überschuss der verwendeten Laserintensität das System weiter vom thermischen Gleichgewicht und verzerrt somit die erhaltenen Einblicke. Auf der anderen Seite sind unsere Messungen für verschwindend geringe Laserintensitäten durch das intrinsische Detektorrauschen limitiert. Auch wenn wir modernste Photodetektoren mit geringem Rauschen verwenden ist nur ein schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreichbar.

Ein Weg um dieses Dilemma zu umgehen ist das Signal optisch zu verstärken bevor es überhaupt detektiert wird. Um dieses zu erreichen haben wir uns eine bekannte Technik aus der Quanten- optik, die homodyne Detektion, zunutze gemacht und in ein Detektionsschema eingebettelt, welches für das Verfahren der Spinrauschspektroskopie verwendet werden kann.

In unserem Schema kann der Signalstrahl, auf den das gewünschte Signal (wie z. B. Spinrauschen) moduliert wird, mit einem Referenzstrahl interferieren. Dieser Referenzstrahl hat die selbe Photonenenergie und Phase, ist aber in der Intensität um mehrere Größenordnungen stärker als der Signalstrahl. Aufgrund des Effektes der Interferenz wird die ursprüngliche Modulation des Signalstrahls um ein Vielfaches des Verhältnisses der Intensität von Referenz- und Signalstrahl verstärkt.

Die Funktionsweise der Methode der homodynen Spinrauschspektroskopie wurde zunächst an Rubidium-Dampf, einem Testsystem der Spinrauschspektroskopie, nachgewiesen. Mit Hilfe der künstlichen Auswahl ungünstiger Bedingungen haben wir das schwache Signal eines Quanten- punktes simuliert und haben gezeigt, dass wir das für klassisches Licht optimal mögliche Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreichen können. Folglich sind die Messungen nur noch durch das fundamentale Schrotrauschen der Photonen limitiert.

Spinrauschamplitude in Abhängigkeit vom Leistungsverhältnis p (a). Signal-zu-Rausch-Verhältnis für schwaches (schwarz) & starkes (rot) elektronisches Rauschen (b). Gemessenes Verhältnis von Spinrauschen & Schrotrauschen (c).
Typischer Spinrauschspektroskopie-Aufbau (a). Typisches Spinrauschleistungs-Spektrum (b). Vergleich der unterschiedlichen Rauscharten (c).
Schematische Darstellung des homodynen Spinrauschspektroskopie-Aufbaus
Experimentell aufgenommenes, gemitteltes Spinrauschdifferenzspektrum

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