Visible to infrared energy conversion in Pr3+-Yb3+ co-doped fluoroindate glasses

Processes involving visible to infrared energy conversion are presented for Pr3+-Yb3+ co-doped fluoroindate glasses. The emission in the visible and infrared regions, the luminescence decay time of the Pr 3+:3P0 → 3H4 (482 nm), Pr3+:1D2 → 3H6 (800 nm), Yb3+:2F5/2 → 2F 7/2 (1044 nm) transitions and the photoluminescence excitation spectra were measured in Pr3+ samples and in Pr3+-Yb 3+ samples as a function of the Yb3+ concentration. In addition, energy transfer efficiencies were estimated from Pr3+: 3P0 and Pr3+:1D2 levels to Yb3+:2F7/2 level. Down-Conversion (DC) emission is observed due to a combination of two different processes: 1-a one-step cross relaxation (Pr3+:3P0 → 1G4; Yb3+:2F7/2 → 2F5/2) resulting in one photon emitted by Pr3+ (1G4 → 3H5) and one photon emitted by Yb3+ (2F7/2 → 2F5/2); 2-a resonant two-step first order energy transfer, where the first part of energy is transferred to Yb3+ neighbor through cross relaxation (Pr3+:3P0 → 1G4; Yb3+:2F7/2 → 2F5/2) followed by a second energy transfer step (Pr 3+:1G4 → 3H4; Yb3+:2F7/2 → 2F5/2). A third process leading to one IR photon emission to each visible photon absorbed involves cross relaxation energy transfer (Pr3+: 1D2 → 3F4; Yb 3+:2F7/2 → 2F5/2). © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Frequency upconversion involving triads and quartets of ions in a Pr3+/Nd3+ codoped fluoroindate glass

Frequency upconversion (UC) processes involving energy transfer (ET) among Nd 3+ and Pr 3+ ions in a fluoroindate glass are reported. In a first experiment, the excitation of Pr 3+ [transition 3H 4→ 1D 2] and of Nd 3+ [transition 4I 9/2→( 2G 7/2+ 4G 5/2)] was achieved with a dye laser operating in the 575-590 nm range. In a second experiment, the Nd 3+ ions were excited with the second harmonic of a Nd: YAG laser at 532 nm. The ET processes leading to UC in both experiments were studied by monitoring the blue fluorescence decay at 480 nm due to the transition 3P 0→ 3H 4 in Pr 3+. In the more relevant UC process, quartets of ions (Nd-Nd-Pr-Pr) are excited due to absorption of three laser photons by two Nd 3+ ions which transfer their energy to two Pr 3+ ions. Each Pr 3+ ion promoted to the 3P 0 level decays to the ground state emitting one photon in the blue region. This conclusion was achieved investigating the dependence of the UC fluorescence intensity as a function of laser intensity, samples concentrations, and temporal behavior of the UC signal. Other UC processes involving nonisoionic groups of three ions are also reported. © 2002 American Institute of Physics.

Down-conversion process in Tb3+-Yb3+ co-doped Calibo glasses

The down-conversion process in Tb3+-Yb3+ co-doped Calibo glasses was studied. The emission, excitation and time-resolved measurements indicated the existence of an energy conversion through the excitation of Tb3+ ions to near-infrared emission by Yb3+ ions. The emission intensity dependence on excitation power confirms that the one-photon process is responsible for the Yb3+ emission. An enhanced Yb3+ emission was observed with Yb3+ doping and an optimal energy transfer efficiency of 32% was obtained before reaching near-infrared emission quenching. The mechanism of the non-resonant energy transfer from Tb3+ to Yb3+ is discussed in terms of the Tb3+-Yb3+ cross-relaxation and multiphonon decay processes. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Confocal microscopy applied to the study of single entity fluorescence and light scattering

A sample scanning confocal optical microscope (SCOM) was designed and constructed in order to perform local measurements of fluorescence, light scattering and Raman scattering. This instrument allows to measure time resolved fluorescence, Raman scattering and light scattering from the same diffraction limited spot. Fluorescence from single molecules and light scattering from metallic nanoparticles can be studied. First, the electric field distribution in the focus of the SCOM was modelled. This enables the design of illumination modes for different purposes, such as the determination of the three-dimensional orientation of single chromophores. Second, a method for the calculation of the de-excitation rates of a chromophore was presented. This permits to compare different detection schemes and experimental geometries in order to optimize the collection of fluorescence photons. Both methods were combined to calculate the SCOM fluorescence signal of a chromophore in a general layered system. The fluorescence excitation and emission of single molecules through a thin gold film was investigated experimentally and modelled. It was demonstrated that, due to the mediation of surface plasmons, single molecule fluorescence near a thin gold film can be excited and detected with an epi-illumination scheme through the film. Single molecule fluorescence as close as 15nm to the gold film was studied in this manner. The fluorescence dynamics (fluorescence blinking and excited state lifetime) of single molecules was studied in the presence and in the absence of a nearby gold film in order to investigate the influence of the metal on the electronic transition rates. The trace-histogram and the autocorrelation methods for the analysis of single molecule fluorescence blinking were presented and compared via the analysis of Monte-Carlo simulated data. The nearby gold influences the total decay rate in agreement to theory. The gold presence produced no influence on the ISC rate from the excited state to the triplet but increased by a factor of 2 the transition rate from the triplet to the singlet ground state. The photoluminescence blinking of Zn0.42Cd0.58Se QDs on glass and ITO substrates was investigated experimentally as a function of the excitation power (P) and modelled via Monte-Carlo simulations. At low P, it was observed that the probability of a certain on- or off-time follows a negative power-law with exponent near to 1.6. As P increased, the on-time fraction reduced on both substrates whereas the off-times did not change. A weak residual memory effect between consecutive on-times and consecutive off-times was observed but not between an on-time and the adjacent off-time. All of this suggests the presence of two independent mechanisms governing the lifetimes of the on- and off-states. The simulated data showed Poisson-distributed off- and on-intensities, demonstrating that the observed non-Poissonian on-intensity distribution of the QDs is not a product of the underlying power-law probability and that the blinking of QDs occurs between a non-emitting off-state and a distribution of emitting on-states with different intensities. All the experimentally observed photo-induced effects could be accounted for by introducing a characteristic lifetime tPI of the on-state in the simulations. The QDs on glass presented a tPI proportional to P-1 suggesting the presence of a one-photon process. Light scattering images and spectra of colloidal and C-shaped gold nano-particles were acquired. The minimum size of a metallic scatterer detectable with the SCOM lies around 20 nm.

Size-selective investigations of spectral and emission properties of small particles and nanotubes

In dieser Arbeit wurde die Elektronenemission von Nanopartikeln auf Oberflächen mittels spektroskopischen Photoelektronenmikroskopie untersucht. Speziell wurden metallische Nanocluster untersucht, als selbstorganisierte Ensembles auf Silizium oder Glassubstraten, sowie ferner ein Metall-Chalcogenid (MoS2) Nanoröhren-Prototyp auf Silizium. Der Hauptteil der Untersuchungen war auf die Wechselwirkung von fs-Laserstrahlung mit den Nanopartikeln konzentriert. Die Energie der Lichtquanten war kleiner als die Austrittsarbeit der untersuchten Proben, so dass Ein-Photonen-Photoemission ausgeschlossen werden konnte. Unsere Untersuchungen zeigten, dass ausgehend von einem kontinuierlichen Metallfilm bis hin zu Clusterfilmen ein anderer Emissionsmechanismus konkurrierend zur Multiphotonen-Photoemission auftritt und für kleine Cluster zu dominieren beginnt. Die Natur dieses neuen Mechanismus` wurde durch verschiedenartige Experimente untersucht. Der Übergang von einem kontinuierlichen zu einem Nanopartikelfilm ist begleitet von einer Zunahme des Emissionsstroms von mehr als eine Größenordnung. Die Photoemissions-Intensität wächst mit abnehmender zeitlicher Breite des Laserpulses, aber diese Abhängigkeit wird weniger steil mit sinkender Partikelgröße. Die experimentellen Resultate wurden durch verschiedene Elektronenemissions-Mechanismen erklärt, z.B. Multiphotonen-Photoemission (nPPE), thermionische Emission und thermisch unterstützte nPPE sowie optische Feldemission. Der erste Mechanismus überwiegt für kontinuierliche Filme und Partikel mit Größen oberhalb von mehreren zehn Nanometern, der zweite und dritte für Filme von Nanopartikeln von einer Größe von wenigen Nanometern. Die mikrospektroskopischen Messungen bestätigten den 2PPE-Emissionsmechanismus von dünnen Silberfilmen bei „blauer“ Laseranregung (hν=375-425nm). Das Einsetzen des Ferminiveaus ist relativ scharf und verschiebt sich um 2hν, wenn die Quantenenergie erhöht wird, wogegen es bei „roter“ Laseranregung (hν=750-850nm) deutlich verbreitert ist. Es zeigte sich, dass mit zunehmender Laserleistung die Ausbeute von niederenergetischen Elektronen schwächer zunimmt als die Ausbeute von höherenergetischen Elektronen nahe der Fermikante in einem Spektrum. Das ist ein klarer Hinweis auf eine Koexistenz verschiedener Emissionsmechanismen in einem Spektrum. Um die Größenabhängigkeit des Emissionsverhaltens theoretisch zu verstehen, wurde ein statistischer Zugang zur Lichtabsorption kleiner Metallpartikel abgeleitet und diskutiert. Die Elektronenemissionseigenschaften bei Laseranregung wurden in zusätzlichen Untersuchungen mit einer anderen Anregungsart verglichen, der Passage eines Tunnelstroms durch einen Metall-Clusterfilm nahe der Perkolationsschwelle. Die elektrischen und Emissionseigenschaften von stromtragenden Silberclusterfilmen, welche in einer schmalen Lücke (5-25 µm Breite) zwischen Silberkontakten auf einem Isolator hergestellt wurden, wurden zum ersten Mal mit einem Emissions-Elektronenmikroskop (EEM) untersucht. Die Elektronenemission beginnt im nicht-Ohmschen Bereich der Leitungsstrom-Spannungskurve des Clusterfilms. Wir untersuchten das Verhalten eines einzigen Emissionszentrums im EEM. Es zeigte sich, dass die Emissionszentren in einem stromleitenden Silberclusterfilm Punktquellen für Elektronen sind, welche hohe Emissions-Stromdichten (mehr als 100 A/cm2) tragen können. Die Breite der Energieverteilung der Elektronen von einem einzelnen Emissionszentrum wurde auf etwa 0.5-0.6 eV abgeschätzt. Als Emissionsmechanismus wird die thermionische Emission von dem „steady-state“ heißen Elektronengas in stromdurchflossenen metallischen Partikeln vorgeschlagen. Größenselektierte, einzelne auf Si-Substraten deponierte MoS2-Nanoröhren wurden mit einer Flugzeit-basierten Zweiphotonen-Photoemissions-Spektromikroskopie untersucht. Die Nanoröhren-Spektren wiesen bei fs-Laser Anregung eine erstaunlich hohe Emissionsintensität auf, deutlich höher als die SiOx Substratoberfläche. Dagegen waren die Röhren unsichtbar bei VUV-Anregung bei hν=21.2 eV. Eine ab-initio-Rechnung für einen MoS2-Slab erklärt die hohe Intensität durch eine hohe Dichte freier intermediärer Zustände beim Zweiphotonen-Übergang bei hν=3.1 eV.

Elektromagnetische Pionproduktion in manifest Lorentz-invarianter baryonischer chiraler Störungstheorie

In dieser Arbeit wurde die elektromagnetische Pionproduktion unter der Annahme der Isospinsymmetrie der starken Wechselwirkung im Rahmen der manifest Lorentz-invarianten chiralen Störungstheorie in einer Einschleifenrechnung bis zur Ordnung vier untersucht. Dazu wurden auf der Grundlage des Mathematica-Pakets FeynCalc Algorithmen zur Berechnung der Pionproduktionsamplitude entwickelt. Bis einschließlich der Ordnung vier tragen insgesamt 105 Feynmandiagramme bei, die sich in 20 Baumdiagramme und 85 Schleifendiagramme unterteilen lassen. Von den 20 Baumdiagrammen wiederum sind 16 als Polterme und vier als Kontaktgraphen zu klassifizieren; bei den Schleifendiagrammen tragen 50 Diagramme ab der dritten Ordnung und 35 Diagramme ab der vierten Ordnung bei. In der Einphotonaustauschnäherung lässt sich die Pionproduktionsamplitude als ein Produkt des Polarisationsvektors des (virtuellen) Photons und des Übergangsstrommatrixelements parametrisieren, wobei letzteres alle Abhängigkeiten der starken Wechselwirkung beinhaltet und wo somit die chirale Störungstheorie ihren Eingang findet. Der Polarisationsvektor hingegen hängt von dem leptonischen Vertex und dem Photonpropagator ab und ist aus der QED bekannt. Weiterhin lässt sich das Übergangsstrommatrixelement in sechs eichinvariante Amplituden zerlegen, die sich im Rahmen der Isospinsymmetrie jeweils wiederum in drei Isospinamplituden zerlegen lassen. Linearkombinationen dieser Isospinamplituden erlauben letztlich die Beschreibung der physikalischen Amplituden. Die in dieser Rechnung auftretenden Einschleifenintegrale wurden numerisch mittels des Programms LoopTools berechnet. Im Fall tensorieller Integrale erfolgte zunächst eine Zerlegung gemäß der Methode von Passarino und Veltman. Da die somit erhaltenen Ergebnisse jedoch i.a. noch nicht das chirale Zählschema erfüllen, wurde die entsprechende Renormierung mittels der reformulierten Infrarotregularisierung vorgenommen. Zu diesem Zweck wurde ein Verfahren entwickelt, welches die Abzugsterme automatisiert bestimmt. Die schließlich erhaltenen Isospinamplituden wurden in das Programm MAID eingebaut. In diesem Programm wurden als Test (Ergebnisse bis Ordnung drei) die s-Wellenmultipole E_{0+} und L_{0+} in der Schwellenregion berechnet. Die Ergebnisse wurden sowohl mit Messdaten als auch mit den Resultaten des "klassischen" MAID verglichen, wobei sich i. a. gute Übereinstimmungen im Rahmen der Fehler ergaben.

Virtual Compton scattering in baryon chiral perturbation theory

This thesis is concerned with the calculation of virtual Compton scattering (VCS) in manifestly Lorentz-invariant baryon chiral perturbation theory to fourth order in the momentum and quark-mass expansion. In the one-photon-exchange approximation, the VCS process is experimentally accessible in photon electro-production and has been measured at the MAMI facility in Mainz, at MIT-Bates, and at Jefferson Lab. Through VCS one gains new information on the nucleon structure beyond its static properties, such as charge, magnetic moments, or form factors. The nucleon response to an incident electromagnetic field is parameterized in terms of 2 spin-independent (scalar) and 4 spin-dependent (vector) generalized polarizabilities (GP). In analogy to classical electrodynamics the two scalar GPs represent the induced electric and magnetic dipole polarizability of a medium. For the vector GPs, a classical interpretation is less straightforward. They are derived from a multipole expansion of the VCS amplitude. This thesis describes the first calculation of all GPs within the framework of manifestly Lorentz-invariant baryon chiral perturbation theory. Because of the comparatively large number of diagrams - 100 one-loop diagrams need to be calculated - several computer programs were developed dealing with different aspects of Feynman diagram calculations. One can distinguish between two areas of development, the first concerning the algebraic manipulations of large expressions, and the second dealing with numerical instabilities in the calculation of one-loop integrals. In this thesis we describe our approach using Mathematica and FORM for algebraic tasks, and C for the numerical evaluations. We use our results for real Compton scattering to fix the two unknown low-energy constants emerging at fourth order. Furthermore, we present the results for the differential cross sections and the generalized polarizabilities of VCS off the proton.

Eine kontinuierliche Lyman-alpha-Quelle basierend auf Festkörperlasersystemen

In dieser Arbeit wird eine schmalbandige kontinuierliche kohärente Lyman-α-Quelle basierend auf Festkörperlasersystemen zur zukünftigen Kühlung von Antiwasserstoff vorgestellt. Die fundamentalen Festkörperlasersysteme ermöglichen es im Vier-Wellen-Misch-Prozess zur Erzeugung der Lyman-α-Strahlung nicht nur die 6^1S – 7^1S-Zwei-Photonen-Resonanz des Quecksilbers sondern erstmals auch die 6^1S – 6^3P-Ein-Photonen-Resonanz zur Erhöhung der Konversionseffizienz optimal zu nutzen. In ersten Messungen wurden 0,063nW Leistung bei Lyman-α erzeugt. Mit dieser Lyman-α-Quelle war es, durch die Nähe des ersten fundamentalen Lasers zur Ein-Photonen-Resonanz, erstmals möglich den kompletten Verlauf der Phasenanpassungskurve des Vier-Wellen- Misch-Prozesses aufzunehmen. Neben den fundamentalen Lasersystemen und der Lyman-alpha-Erzeugung selbst, wird in dieser Arbeit die Detektion der produzierten Lyman-α-Strahlung mit einem Photomultiplier vorgestellt, die soweit optimiert wurde, dass eine zuverlässige Abschätzung der erzeugten Leistung möglich ist. Für diesen Zweck wurde zudem ein Teststand aufgebaut, mit dem die Transmissivität der Optiken, welche in der Lyman-α-Apparatur verwendet werden, bei 121,56nm gemessen wurde. Des Weiteren wird hier eine vielseitige Rechnung vorgestellt, mit der die erzeugte Leistung bei Lyman-α, unter anderem in Abhängigkeit von der Temperatur, der Absorption des ersten fundamentalen Laserstrahls, dem Dichteprofil des Quecksilberdampfes und unter dem Einfluss eines Puffergases, bestimmt wird.

Einfluss der 6 1 S - 6 3 P-Resonanz auf die Lyman-alpha-Erzeugung in Quecksilber

In dieser Arbeit wird eine kontinuierliche, kohärente Strahlungsquelle bei 121,56nm, der Lyman-alpha Linie in Wasserstoff, vorgestellt. Diese Lyman-alpha Quelle soll zur zukünftigen Laserkühlung von Antiwasserstoff dienen. Die Strahlung wird durch Vier-Wellen-Mischen in Quecksilberdampf produziert. Dabei wird ein Festkörperlasersystem zur Erzeugung der Fundamentalstrahlen eingesetzt. Zur Erhöhung der nichtlinearen Suszeptibilität wird die 6^1S-7^1S Zwei-Photonen-Resonanz ausgenutzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines durchstimmbaren ultravioletten Lasersystems die 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz genutzt, was es erlaubt, die nichtlineare Suszeptibilität des Mischprozesses um Größenordnungen zu erhöhen. Um den Einfluss der 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz zu untersuchen, wurden zunächst die Phasenanpassungstemperaturen bei verschiedenen Verstimmungen der ultravioletten Strahlung zur 6^3P Resonanz vermessen und festgestellt, dass kleinere Verstimmungen zu niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen führen. Es konnte sowohl theoretisch wie auch experimentell gezeigt werden, dass diese niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen bei kleinen Verstimmungen der Erhöhung der Lyman-alpha Erzeugung durch die größere nichtlineare Suszeptibilität bei kleinen Verstimmungen entgegenwirken. Bei immer kleineren Verstimmungen zur 6^3P Resonanz limitiert die Absorption der ultravioletten Strahlung die Lyman-alpha Erzeugung. Ein positiver Effekt der niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen ist, dass es möglich wird, auf das bisher nötige Puffergas in der Quecksilber-Dampfzelle zu verzichten, was die Lyman-alpha Erzeugung um einen Faktor 1,7 erhöht. Damit war es möglich, die bisherige Effizienz der Lyman-alpha Erzeugung zu verbessern. Es wurde eine Lyman-alpha Leistung von 0,3nW erreicht. Zusätzlich zum Einfluss der 6^3P Resonanz auf die Lyman-alpha Erzeugung wurde ein weiterer Effekt beobachtet. Durch die Nähe der 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz wird auch mehr Besetzung in das obere 7^1S Niveau der Zwei-Photonen-Resonanz gepumpt. Dadurch konnte erstmals eine kontinuierliche Lasertätigkeit auf der 6^1P-7^1S Linie in Quecksilber bei 1014nm beobachtet werden.

Effizientes Vierwellenmischen durch Ausnutzen von Resonanzen in Quecksilber

In dieser Arbeit wird eine kohärente, kontinuierliche Strahlungsquelle im vakuum-ultravioletten (VUV) Spektrum vorgestellt. Sie basiert auf einem Vierwellenmischprozess in Quecksilberdampf mit Fundamentalstrahlen bei 253,7 nm, 407,9 nm und 545,5 nm Wellenlänge. Diese fundamentalen Strahlen werden durch frequenzverdoppelte bzw. frequenzvervierfachte Festkörperlasersysteme bereit gestellt. Durch das Ausnutzen der 6^1S-7^1S Zweiphotonenresonanz und zusätzlich der 6^1S-6^3P Einphotonenresonanz kann der Vierwellenmischprozess deutlich effizienter betrieben werden als zuvor. Eine nahe Einphotonenresonanz verringert die optimale Phasenanpassungstemperatur des Vierwellenmischprozesses, wodurch Druck- und Stoßverbreiterungen des Quecksilbers verkleinert und damit der nichtlineare Prozess effizienter wird. So können Leistungen bis zu 0,3 nW bei 121,56 nm, dem 1S-2P Lyman-alpha Übergang von Wasserstoff, erzeugt werden. Diese Lyman-alpha Quelle soll für die zukünftige Laserkühlung von Antiwasserstoff genutzt werden. rnrnNeben der Generierung von Strahlung bei Lyman-alpha kann, durch Veränderung der dritten Fundamentalwellenlänge, auch Strahlung in der Nähe zu einer Einphotonresonanz im VUV bei dem 6^1S-12^1P Übergang in Quecksilber durch Vierwellenmischen erzeugt werden. Durch diese weitere Einphotonresonanz kann die nichtlineare Suszeptibilität, verantwortlich für das Vierwellenmischen, stark vergrößert werden, ohne Einfluss auf die Phasenanpassung zu haben. Damit lässt sich der Mischprozess um drei Größenordnungen effizienter gestalten und Leistungen von 6 µW im VUV konnten realisiert werden. Dies entspricht einer Leistungsteigerung um einen Faktor 30 im Vergleich zu früheren Quellen. rnrnDarüberhinaus konnte die Zweiphotonenresonanz in Quecksilber ausführlich untersucht werden. Man erhält bei kleinen Rabifrequenzen der Fundamentalstrahlen eine geschwindigkeitsselektive Doppelresonanz, die den gleichen Ursprung wie Dunkelresonanzen in Lambda-Systemen hat. Bei hohen Rabifrequenzen kann die Anregung in das Zweiphotonenniveau so stark werden, dass auf dem 7^1S-6^1P Übergang ein Laserprozess initiiert wird. Dieser Prozess wurde hier zum ersten Mal mit kontinuierlichen Fundamentallasern nachgewiesen. Es wird gezeigt, dass der zusätzliche Laserprozess das Vierwellenmischen nicht beeinträchtigt.

QUANTUM CORRELATIONS OF LIGHTS IN MACROSCOPIC ENVIRONMENTS

This dissertation presents a detailed study in exploring quantum correlations of lights in macroscopic environments. We have explored quantum correlations of single photons, weak coherent states, and polarization-correlated/polarization-entangled photons in macroscopic environments. These included macroscopic mirrors, macroscopic photon number, spatially separated observers, noisy photons source and propagation medium with loss or disturbances. We proposed a measurement scheme for observing quantum correlations and entanglement in the spatial properties of two macroscopic mirrors using single photons spatial compass state. We explored the phase space distribution features of spatial compass states, such as chessboard pattern by using the Wigner function. The displacement and tilt correlations of the two mirrors were manifested through the propensities of the compass states. This technique can be used to extract Einstein-Podolsky-Rosen correlations (EPR) of the two mirrors. We then formulated the discrete-like property of the propensity Pb(m,n), which can be used to explore environmental perturbed quantum jumps of the EPR correlations in phase space. With single photons spatial compass state, the variances in position and momentum are much smaller than standard quantum limit when using a Gaussian TEM00 beam. We observed intrinsic quantum correlations of weak coherent states between two parties through balanced homodyne detection. Our scheme can be used as a supplement to decoy-state BB84 protocol and differential phase-shift QKD protocol. We prepared four types of bipartite correlations ±cos2(θ12) that shared between two parties. We also demonstrated bits correlations between two parties separated by 10 km optical fiber. The bits information will be protected by the large quantum phase fluctuation of weak coherent states, adding another physical layer of security to these protocols for quantum key distribution. Using 10 m of highly nonlinear fiber (HNLF) at 77 K, we observed coincidence to accidental-coincidence ratio of 130±5 for correlated photon-pair and Two-Photon Interference visibility >98% entangled photon-pair. We also verified the non-local behavior of polarization-entangled photon pair by violating Clauser-Horne-Shimony-Holt Bell’s inequality by more than 12 standard deviations. With the HNLF at 300 K (77 K), photon-pair production rate about factor 3(2) higher than a 300 m dispersion-shifted fiber is observed. Then, we studied quantum correlation and interference of photon-pairs; with one photon of the photon-air experiencing multiple scattering in a random medium. We observed that depolarization noise photon in multiple scattering degrading the purity of photon-pair, and the existence of Raman noise photon in a photon-pair source will contribute to the depolarization affect. We found that quantum correlation of polarization-entangled photon-pair is better preserved than polarization-correlated photon-pair as one photon of the photon-pair scattered through a random medium. Our findings showed that high purity polarization-entangled photon-pair is better candidate for long distance quantum key distribution.

Different dark conformations function in color-sensitive photosignaling by the sensory rhodopsin I-HtrI complex.

The haloarchaeal phototaxis receptor sensory rhodopsin I (SRI) in complex with its transducer HtrI delivers an attractant signal from excitation with an orange photon and a repellent signal from a second near-UV photon excitation. Using a proteoliposome system with purified SRI in complex with its transducer HtrI, we identified by site-directed fluorescence labeling a site (Ser(155)) on SRI that is conformationally active in signal relay to HtrI. Using site-directed spin labeling of Ser(155)Cys with a nitroxide side chain, we detected a change in conformation following one-photon excitation such that the spin probe exhibits a splitting of the outer hyperfine extrema (2A'(zz)) significantly smaller than that of the electron paramagnetic resonance spectrum in the dark state. The dark conformations of five mutant complexes that do not discriminate between orange and near-UV excitation show shifts to lower or higher 2A'(zz) values correlated with the alterations in their motility behavior to one- and two-photon stimuli. These data are interpreted in terms of a model in which the dark complex is populated by two conformers in the wild type, one that inhibits the CheA kinase (A) and the other that activates it (R), shifted in the dark by mutations and shifted in the wild-type SRI-HtrI complex in opposite directions by one-photon and two-photon reactions.

Attractant and repellent signaling conformers of sensory rhodopsin-transducer complexes.

Attractant and repellent signaling conformers of the dual-signaling phototaxis receptor sensory rhodopsin I and its transducer subunit (SRI-HtrI) have recently been distinguished experimentally by the opposite connection of their retinylidene protonated Schiff bases to the outwardly located periplasmic side and inwardly located cytoplasmic side. Here we show that the pK(a) of the outwardly located Asp76 counterion in the outwardly connected conformer is lowered by approximately 1.5 units from that of the inwardly connected conformer. The pK(a) difference enables quantitative determination of the relative amounts of the two conformers in wild-type cells and behavioral mutants prior to photoexcitation, comparison of their absorption spectra, and determination of their relative signaling efficiency. We have shown that the one-photon excitation of the SRI-HtrI attractant conformer causes a Schiff base connectivity switch from inwardly connected to outwardly connected states in the attractant signaling photoreaction. Conversely, a second near-UV photon drives the complex back to the inwardly connected conformer in the repellent signaling photoreaction. The results suggest a model of the color-discriminating dual-signaling mechanism in which phototaxis responses (his-kinase modulation) result from the photointerconversion of the two oppositely connected SRI-HtrI conformers by one-photon and two-photon activation. Furthermore, we find that the related repellent phototaxis SRII-HtrII receptor complex has an outwardly connected retinylidene Schiff base like the repellent signaling forms of the SRI-HtrI complex, indicating the general applicability of macro conformational changes, which can be detected by the connectivity switch, to phototaxis signaling by sensory rhodopsin-transducer complexes.

Protein-protein interaction between phototaxis receptor sensory Rhodopsin I and its transducer HtrI

The molecular complex containing the seven transmembrane helix photoreceptor S&barbelow;ensory R&barbelow;hodopsin I&barbelow; (SRI) and transducer protein HtrI (H&barbelow;alobacterial Transducer for SRI&barbelow;) mediates color-sensitive phototaxis responses in the archaeon Halobacterium salinarum. Orange light causes an attractant response by a one-photon reaction and white light (orange + UV light) a repellent response by a two-photon reaction. Three aspects of SRI-HtrI structure/function and the signal transduction pathway were explored. First, the coupling of HtrI to the photoactive site of SRI was analyzed by mutagenesis and kinetic spectroscopy. Second, SRI-HtrI mutations and suppressors were selected and characterized to elucidate the color-sensing mechanism. Third, the signal relay through the transducer-bound histidine kinase was analyzed using an in vitro reconstitution system with known and newly identified taxis components. ^ Twenty-one mutations on HtrI were introduced by site-directed mutagenesis. Several replacements of charged residues perturbed the photochemical kinetics of SRI which led to the finding of a cluster of residues at the membrane/cytoplasm interface in HtrI electrostatically coupled to the photoactive site of SRI. We found by laser-flash kinetic spectroscopy that the transducer and these residues have specific effects on the light-induced proton transfer between the retinal chromophore and the protein. ^ One of the mutations showed an unusual mutant phenotype we called “inverted” signaling, in which the cell produces a repellent response to normally attractant light. Therefore, this mutant (E56Q of HtrI) had lost the color-discrimination by the SRI-HtrI complex. We used suppressor analysis to better understand the phenotype. Certain suppressors resulted in return of attractant responses to orange light but with inversion of the normally repellent response to white light to an attractant response. To explain this and other results, we formulated the Conformational Shuttling model in which the HtrI-SRI complex is poised in a metastable equilibrium of two conformations shifted in opposite directions by orange and white light. We tested this model by behavioral analysis (computerized cell tracking and motion study) of double mutants of inverting and suppressing mutations and the results confirmed the equilibrium-shift explanation. ^ We developed an in vitro system for measuring the effect of purified transducer on the histidine-kinase CheAH that controls the flagellar motor switch. The rate of kinase autophosphorylation was stimulated >2 fold in the reconstitution of the complete signal transduction system from purified components from H. salinarum. The in vitro assay also showed that the kinase activity was reduced in the absence and in the presence of high levels of linker protein CheWH. (Abstract shortened by UMI.) ^

Signal relay between two integral membrane proteins: The sensory rhodopsin I/HtrI transducer molecular complex

The molecular complex of sensory rhodopsin I (SRI) and its transducer HtrI mediate color-sensitive phototaxis in the archaeon Halobacterium salinarum. Orange light causes an attractant response by a one-photon reaction and white light causes a repellent response by a two-photon reaction. Three aspects of this molecular complex were explored: (i) We determined the stoichiometry of SRI and HtrI to be 2:2 by gene fusion analysis. A SRI-HtrI fusion protein was expressed in H. salinarum and shown to mediate 1-photon and 2-photon phototaxis responses comparable to wild-type complex. Disulfide crosslinking demonstrated that the fusion protein is a homodimer in the membrane. Measurement of photochemical reaction kinetics and pH titration of absorption spectra established that both SRI domains are complexed to HtrI in the fusion protein, and therefore the stoichiometry is 2:2. (ii) Cytoplasmic channel closure of SRI by HtrI, an important aspect of their interaction, was investigated by incremental HtrI truncation. We found that binding of the membrane-embedded portion of HtrI is insufficient for channel closure, whereas cytoplasmic extension of the second HtrI transmembrane helix by 13 residues blocks proton conduction through the channel as well as full-length HtrI. The closure activity is localized to 5 specific residues, each of which incrementally contributes to reduction of proton conductivity. Moreover, these same residues in the dark incrementally and proportionally increase the pKa of the Asp76 counterion to the protonated Schiff base chromophore. We conclude that this critical region of HtrI alters the dark conformation of SRI as well as light-induced channel opening. (iii) We developed a procedure for reconstituting HtrI-free SRI and the SRI/HtrI complex into liposomes, which exhibit photocycles with opened and closed cytoplasmic channels, respectively, as in the membrane. This opens the way for study of the light-induced conformational change and the interaction in vitro by fluorescence and spin-labeling. Single-cysteine mutations were introduced into helix F of SRI, labeled with a nitroxide spin probe and a fluorescence probe, reconstituted into proteoliposomes, and light-induced conformational changes detected in the complex. The probe signals can now be used as the readout of signaling to analyze mutants and the kinetics of signal relay. ^