Coherent two-dimensional electronic spectroscopy integrated with confocal back focal plane microscopy

Resumen Técnico: Espectroscopía Electrónica Coherente Bidimensional Integrada con Microscopía Confocal de Plano Focal Trasero

Planteamiento del Problema
La espectroscopía electrónica bidimensional coherente (2DES) es un método establecido para desentrañar las contribuciones homogéneas e inhomogéneas de las formas de línea espectroscópica y revelar los acoplamientos entre estados cuánticos. Sin embargo, la aplicación de esta técnica a materiales 2D emergentes y sus heteroestructuras presenta desafíos significativos. Muchas muestras de interés, particularmente las láminas exfoliadas mecánicamente, son pequeñas (10–20 µm), lo que requiere una óptica de alta magnificación que no es estándar en los montajes convencionales de 2DES. Además, estas muestras suelen cultivarse sobre sustratos opacos (p. ej., Si/SiO2), lo que imposibilita la geometría de transmisión típicamente utilizada en 2DES. Intentos previos de combinar la microscopía con 2DES han utilizado enfoques de campo ancho o geometrías totalmente colineales, pero estos a menudo sacrifican la resolución angular o requieren esquemas complejos de ciclado de fase y filtrado que limitan la flexibilidad. Existe la necesidad de un montaje que combine una alta resolución espacial con la capacidad de controlar los vectores de onda y operar en geometría de reflexión.

Metodología
Los autores presentan un montaje experimental construido a medida que integra 2DES coherente en una geometría de bomba-sonda en reflexión con un microscopio confocal de plano focal trasero (BFP).

• Arquitectura Óptica: El sistema utiliza un amplificador regenerativo de Ti:zafiro (1 kHz, 70 fs) cuya salida es espectralmente ensanchada mediante una fibra de núcleo hueco (llenada con argón) o un amplificador paramétrico óptico. Los pulsos se dividen en canales de bomba y sonda, cada uno equipado con un filtro dispersivo programable acusto-óptico (AOPDF) para el modelado de pulsos y el control de fase.
• Integración del Microscopio: Los haces de bomba y sonda se acoplan a un objetivo apocromático de alta apertura numérica (NA 0.42) (Mitutoyo 50x). Lentes en el plano focal traseros permiten el control independiente de los tamaños de haz y los ángulos de incidencia de la bomba y la sonda.
• Detección de Señal y Filtrado: Las señales no lineales se recolectan a través del mismo objetivo. El montaje emplea un procedimiento de ciclado de fase de dos pasos para aislar las señales 2D de refasamiento y no refasamiento de las contribuciones de fondo de la línea base y de bomba-sonda.
• Capacidades de Imagen: La ruta de detección incluye un microscopio confocal de BFP con corrección de infinito personalizado. Esto permite alternar entre el mapeo de imagen en el espacio real (para localizar la muestra) e imagen del plano focal traseros (para visualizar y filtrar la distribución angular de los haces). Esta capacidad dual permite la colocalización de la espectroscopía lineal (reflectividad, fotoluminiscencia) y las mediciones de 2DES ultrafast en el mismo punto exacto.
• Caracterización de Pulsos: La compresión de pulsos se verifica utilizando un montaje de la técnica de la puerta óptica de resolución de frecuencia de tipo reticulado transitorio (tg-FROG) construido internamente, logrando duraciones de pulso de hasta 20 fs con compensación por las distorsiones de fase de orden superior introducidas por el objetivo.

Contribuciones Clave

1. Montaje Integrado: La principal contribución es la integración exitosa de un montaje de reflexión de bomba-sonda de 2DES de banda ancha visible con un microscopio confocal de BFP. Esto permite la investigación de muestras tan pequeñas como 10–20 µm manteniendo el control total sobre los vectores de onda de la bomba y la sonda.
2. Control del Vector de Onda: A diferencia de los montajes de campo ancho totalmente colineales que llenan toda la apertura numérica (sacrificando la resolución angular), este diseño permite el ajuste independiente de los tamaños de haz y los ángulos de la bomba y la sonda en el plano focal traseros. Esto facilita la determinación cuantitativa de los vectores de onda incidentes.
3. Geometría de Reflexión: El sistema está diseñado específicamente para la geometría de reflexión, lo que lo hace adecuado para muestras sobre sustratos opacos como Si/SiO2, que son comunes en la investigación de materiales 2D pero incompatibles con la 2DES de transmisión estándar.
4. Compresión de Pulsos: Los autores demuestran la capacidad de comprimir los pulsos a 20 fs en la posición de la muestra, compensando el chirp significativo (2900 fs²) acumulado en el grueso vidrio del objetivo apocromático.

Resultados
Las capacidades del instrumento se demostraron en una monocapa de diseleniuro de tungsteno (WSe2) exfoliada mecánicamente sobre Si/SiO2.

• Caracterización Lineal: El sistema mapeó con éxito la reflectividad lineal y la fotoluminiscencia de la muestra, identificando la resonancia del excitón A aproximadamente a 1.667 eV y revelando inhomogeneidades espaciales a través de la lámina.
• Rendimiento de 2DES: Se registraron espectros 2D a temperatura ambiente del excitón A de WSe2. Los espectros exhibieron una forma de tipo derivada característica de la geometría de reflexión.
• Dinámica: Al integrar regiones de interés específicas en los espectros 2D, los autores extrajeron la dinámica ultrafast. Los datos revelaron una constante de tiempo rápida de 60.0 ± 10.0 fs y una constante de tiempo más lenta de 5.00 ± 0.75 ps, consistentes con la dinámica de excitones ultrafast reportada previamente en WSe2.
• Control de Haz: El montaje demostró con éxito el control independiente sobre los tamaños de haz de bomba y sonda en la muestra (p. ej., 14.9 µm vs. 10.4 µm FWHM) y la determinación precisa de sus vectores de onda mediante la imagen de BFP.

Significancia
El artículo afirma que este montaje abre nuevas vías para el estudio de materiales 2D y sus heteroestructuras, particularmente aquellos con dimensiones laterales pequeñas (10–20 µm) que anteriormente eran difíciles de acceder con alta resolución de 2DES. Al mantener la flexibilidad en el color, la polarización y la geometría (reflexión/transmisión) de la bomba/sonda, el sistema es muy adecuado para investigar sistemas complejos como bicapas retorcidas, dispositivos de van der Waals con compuerta y materiales 2D integrados con metasuperficies. Los autores destacan específicamente la relevancia de las capacidades de imagen del plano focal traseros para futuros estudios ultrafast en sistemas politónicos, donde las respuestas dependientes del ángulo y el acoplamiento luz-momento son críticos. El trabajo proporciona una solución práctica al compromiso entre resolución espacial y resolución angular en la microscopía óptica ultrafast.