FOTONEKO- koherent strålning som sänds ut av ett medium efter att det har exponerats för en sekvens av intensiva korta pulser av resonant elektromagnetisk strålning. (lätt)fält och på grund av återställandet av fasmatchning mellan avdelningarna. utsändare. Effekt av F. e. förutspåddes 1962 av W. X. Copwill och V. R. Nagibarov och observerades experimentellt 1964 av I. Abella, N. Kurnit och S. Hartman.

Effekt av F. e. är en konsekvens av dynamiken i kvantövergångar i ett medium under förhållanden med inhomogen breddning av den resonansspektrala linjen (se. Breddning av spektrallinjer) och är liknande till sin natur spin eko. Låt oss betrakta beteendet hos ett mediums resonanssvar när det sekventiellt exponeras för två strålningspulser (fig. 1) med en frekvens с nära frekvensen w ba tillåten övergång mellan kvantnivåer A Och b partiklar av ämnen (atomer, molekyler, föroreningscentra, etc.). Den första, spännande pulsen överför atomerna som ursprungligen var belägna nedanför. skick | a> till en sammanhängande överlagring av stater | a> och | b>, vilket inducerar elementära dipoler som oscillerar med fältfrekvensen och är sammankopplade i fas. Som ett resultat bildas en makroskopisk våg. polarisering av materia med frekvens ω och vågvektor k 1 .

Ris. 1. Bildning av ett tvåpulseko: 1, 2 - infallande pulser; 3 - fri polarisationsavklingningssignal; 4 - fotonekopuls.

Vid slutet av verkan av den exciterande pulsen, amplituden för den inducerade resonansmakroskopiska. polariseringen minskar gradvis (se. Fri polarisationsförfall Denna minskning beror för det första på verkan av irreversibla avslappningsprocesser (se. tvånivåsystem), vilket leder till förlust av sammanhängande excitation av avdelningen. sändare med karakteristisk tid T 2 =g -1 (g är linjens enhetliga halva bredd). För det andra är det associerat med avfasningen av dipolsvängningar orsakade av skillnaden i deras egenskaper. frekvenser w ba. Eff. sönderfallshastigheten på grund av skevhet bestäms av tiden T 2*; för den gaussiska fördelningsfunktionen av egendom. frekvenser g(w ba-w) denna tid definieras som

där g n är den enhetliga halvbredden av spektrallinjen vid halva maximum, w 0 är dess centrum. frekvens.

Om inhomogen breddning dominerar ( T 2 >>T 2 *) sedan makroskopisk. polariseringen hinner avta innan den koherenta exciteringen av separatorn slappnar av. utsändare. Det är fundamentalt viktigt att den sista dämpningsmekanismen är reversibel under påverkan av en andra puls med varaktighet t 2<<T 2 faser av atomoscillatorer ändrar tecken, som ett resultat av vilket efter dess slut ( t>t 3) avfasningen av strålarna ersätts av deras fasning. Detta betyder att om, vid slutet av den första pulsen, fasskillnaden dj för två valfria atomoscillatorer ökade med post. hastighet Dw, lika med skillnaden i deras egen. frekvenser, sedan efter fasomkastning dj minskar med samma hastighet Dw. Som ett resultat, den sk ekopuls av polarisering av ett medium som når ett maximum på ett ögonblick t e = 2D t, när alla oscillatorer återigen är helt i fas. Puls av koherent el-magn. strålning som genereras av mediets ekopolarisering kallas foton eller ljuseko.

Den beskrivna processen kan tydligt förklaras med hjälp av vektormodellen för ett tvånivåsystem och med tanke på att områdena för pulserna 1 och 2 är lika med q1 = p/2 respektive q2 = p. vi tror att

Var dba- matriselement för dipolmomentet; centimeter. Pi-puls. Dessutom antar vi att w = w 0 och pulslängd t 1,2<<T 2 , T 2 * , och därför är deras effekt på alla sändare densamma. Sedan i slutet av den första pulsen Bloch-vektorerna R , som representerar avdelningens tillstånd. resonansatomer visar sig vara roterade med en vinkel p/2 och identiskt orienterade längs axel 2 (Fig. 2, A), alltså den "aktiva" komponenten av den makroskopiska toppen. polariseringen når max. kvantiteter. I framtiden, i avsaknad av el. fält av den spännande pulsen Bloch vektorer dep. atomer precesserar runt axel 3, var och en med sin egen vinkel. hastighet lika med D = w 0 -w ba, divergerande som en fläkt i plan 1-2 (fig. 2, b). Bildandet av en "fläkt" återspeglar processen för avfasning av strålarna. Under påverkan av den andra impulsen roterar var och en av vektorerna R med 180 runt axel 1, som ett resultat av vilket alla faser byter tecken (Fig. 2, V). Efter slutet av p-pulsen precesserar Bloch-vektorerna igen runt axel 3, var och en med sin egen hastighet D, men denna gång leder precessionen till "vikning av fläkten": vid tidpunkten t e de visar sig återigen vara lika orienterade (bild 2, G), vilket motsvarar den fullständiga fasningen av atomsändare. Beräkning av pulsintensiteten för den fotoelektriska energin. med tvåpulsexcitation, baserat på ekvationer för ensembledensitetsmatrisen N tvånivåsystem, för fallet t 1.2<<T2,T 2 * ger

Var jag 0 - intensiteten av spontan emission av delar. atom, fördelningsfunktion g(w ba- w 0) antas vara Gaussisk, och w = w 0. Intensiteten hos F. e. proportionell mot kvadraten på antalet sändare N-en egenskap som är inneboende i effekterna av kollektiva utsläpp (se. Superstrålning, fri polarisationsdämpning). Av formeln (*) är det också tydligt att jag e når max. värden för q 1 = p/2 och q 2 = p, dvs när de infallande pulserna är p/2- respektive p-pulser.

Med ökande fördröjningstid mellan pulserna D t ekointensiteten minskar exponentiellt med tidskonstanten T 2/4, vilket förklaras av verkan av irreversibla avslappningsprocesser.

Förutom det enklaste fallet som diskuterats ovan, det s.k. dubbelpuls, eller primär, eko, det finns ett antal andra varianter av fotoelektriska ekon, erhållna beroende på sekvensen av pulser som tillförs utifrån: inducerat (stimulerat) eko, multipeleko, Carr-Purcell eko, etc.

I motsats till spinekot, signalerna från F. e. sänds ut i strikt definierade riktningar. Således vågvektorn för ett tvåpulseko k , bestäms av vågvektorerna för den första k 1:a och 2:a k 2 pulser: k e = 2 k 2 -k 1 .

Den inducerade ekopulsen bildas av en sekvens av tre pulser och har en vågvektor k Och = k 3 + k 2 - k 1 ; på k 3 = -k 2 fortplantar den sig i motsatt riktning k 1 .

Formen på ekopulsenveloppen beror på förhållandet mellan varaktigheten av de infallande pulserna och tiderna T 2 och T 2*. Så, i begränsningsfallet t 1.2<<T 2 , T 2 * formen på den primära ekopulsen är i huvudsak en temporär Fouriertransform av den egna spektralfördelningen. frekvenser g(w ba-w 0). I ett annat begränsande fall T 2 * << t 1,2 << T 2, "minns" mediets excitation formen av den första pulsen och den kan reproduceras i form av den sk. omvänt eko, när den andra pulsen har formen av en stående våg.

På formen av pulsen F. e. Energistrukturen påverkar också. nivåer; nivådelning leder till en motsvarande modulering av ekoenveloppen.

Polarisationstillståndet för ekostrålningen bestäms av polarisationstillståndet för de exciterande pulserna och typen av kvantövergång i ämnet.

Effekter som F.e. är också möjliga med multifotonexcitation av kvantövergångar, när de definieras. kombinationen av frekvenser för de infallande pulserna sammanfaller med frekvensen för motsvarande kvantövergång. I det här fallet är dock den framväxande makroskopiska. Mediets ekorespons kan visa sig vara icke-emitterande på grund av urvalsregler (se. Multifotonprocesser, Multifotonabsorption). För att observera det kan du använda ytterligare (test)strålning, inom det område där ekosvaret är involverat i den parametriska processen. frekvensblandning.

Att observera F. e. används huvudsakligen metoden för excitering av en motsvarande sekvens av korta laserpulser och metoden för Stark-växling av frekvensen av en kvantövergång genom korta pulser el-statisk. fält (se Stark effekt), justering av övergångsfrekvensen till resonans med kontinuerlig laserstrålning.

Tillämpningar av F. e. mycket varierande. Den används i icke-linjär spektroskopi för att mäta relaxationstider, studera de fina och hyperfina strukturerna av kvantenerginivåer, studera parametrarna för kollisioner i gaser, identifiera typer av kvantövergångar, etc. Tillämpningar av fotoelektriska effekter är lovande. V dynamisk holografi, i system optisk informationsbehandling, särskilt i RAM-system i optiska datorer, etc.

Belyst.: Allen L., Eberly J., Optisk resonans och tvånivåatomer, trans. från English, M., 1978; Shoemaker R., Koherent infraröd spektroskopi av icke-stationära processer, i boken: Laser and coherent spectroscopy, trans. med ASHL., M., 1982; Manykin E. A., Samartsev V. V., Optical Echo Spectroscopy, M., 1984. K. N. Drabyuvich.

480 rub. | 150 UAH | $7,5 ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Avhandling - 480 RUR, leverans 10 minuter, dygnet runt, sju dagar i veckan och helgdagar

Weiner Yuri Grigorievich. Dynamik hos oordnade molekylära fasta medier: studier med fotoneko och spektroskopi av enstaka molekyler: studier med fotoneko och spektroskopi av enstaka molekyler: Dis. ... Doktor i fysik och matematik Vetenskaper: 01.04.05 Troitsk, 2005 251 sid. RSL OD, 71:06-1/116

Introduktion

KAPITEL I. Lågtemperaturdynamik hos oordnade fasta ämnen och metoder för dess studie 19

KAPITEL II. Teoretiska grunder för att beskriva optiska avfasningsprocesser i oordnade föroreningar i fast tillståndssystem vid låga temperaturer 35

2.1. Standardmodell av tvånivåsystem 36

2.1.1. Grundläggande modell 36

2.1.2. Parametrar för tvånivåsystem 37

2.1.3. Lagar för distribution av DOS enligt interna parametrar 38

2.2. Stokastiskt slumpmässigt hopp modell 40

2.2.1. Grundläggande principer för den stokastiska modellen av okorrelerade slumpmässiga hopp 40

2.2.2. Interaktion av ett föroreningscentrum med DUS 41

2.2.3. Rums- och orienteringsfördelningar av DUS 42

2.3. Modifierad teori för FE i lågtemperaturföroreningar

glasögon 43

2.3.1. Grundläggande bestämmelser för den modifierade modellen av PV i lågtemperaturglas 45

2.3.2. Fall av dubbelpulsfotoneko 48

2.3.3. Jämförelse med standard fotoneko teori 51

2.3.4. Resultat av den modifierade teorin om fotoneko och deras diskussion: sönderfallskurvors beroende av det minsta avståndet mellan kromoforen och tvånivåsystem 53

2.4. Den mjuka potentialmodellen och dess tillämpning för att beskriva

optisk avfasning i amorfa föroreningssystem 57

2.4.1. Grundprinciper för modellen med mjuk potential 57

2.4.2. Grundläggande relationer som beskriver optisk avfasning i modellen med mjuk potential 61

2.5. Viktiga resultat för kapitel II 65

KAPITEL III. Fotonekometoden och dess förmåga att studera processerna för spektral dynamik i orenheter i fast tillståndsordnade medier 67

3.1. Fotoneko 67

3.1.1. Allmänna principer 67

3.1.2. Emission från en sammanhängande ensemble av kromoformolekyler 69

3.1.3. Bloch-Feynman vektor modell 69

3.1.4. Huvudidén med FE-metoden 73

3.2. Två- och trepulsfotoneko 75

3.3. Ackumulerat fotoneko 79

3.4. Inkoherent fotoneko 84

3.5. Slutsatser om kapitel III 86

KAPITEL IV. Experimentella grunder för orenhetscentrumspektroskopi med eliminering av tid och ensemble i genomsnitt 87

4.1. Fotoneko och dess tillämpning för att studera dynamiken hos oordnade fasta ämnen 87

4.1.1. Dubbelpuls fotoneko 89

4.1.2. Tre-puls fotoneko 91

4.1.3. Inkoherent fotoneko 91

4.2. Experimentell fotonekoteknik och mätteknik 95

4.2.1. Lasersystem för att generera inkoherenta PV-signaler 95

4.2.2. Lasersystem för att generera pikosekundpulser 96

4.2.3. Fotoneko experimentella inställningar 97

4.2.4. Mätteknik 101

4.2.5. Provberedningsprocedur 105

4.3. Experimentella tekniker för enkelmolekylspektroskopi och mättekniker 110

4.3.1. Tillämpning av singelmolekylspektroskopi för att studera dynamiken hos oordnade fasta ämnen PO

4.3.2. Registrering av spektra av enstaka molekyler i glas vid låga temperaturer 113

4.3.3. Experimentell uppställning för inspelning av spektra av enstaka molekyler 116

4.3.4. Provberedningsprocedur 119

4.3.5. Egenskaper med att registrera spektra av enstaka molekyler i föroreningsglas 122

4.4. Kapitel 4 Slutsatser 128

KAPITEL V. Studier av optisk avfasning i dopade organiska glas och polymerer med fotonekometoden i ett brett område av låga temperaturer 130

5.1. Jämförelse av data erhållna med NFE-metoden med data erhållna med 2PE-metoden 131

5.2. Analys av data mätt med NPE-metoden för resorufin in- och d6-etanol 135

5.2.1. Analys av bidraget från spektral diffusion 138

5.2.2. Analys av bidraget till optisk avfasning på grund av interaktion med lågfrekventa partiklar. 151

5.2.3. Deuterationseffekt 157

5.2.4. Slutsatser om dataanalys för p/d-e ir/y6-e 161

5.3. Forskning med NPE- och 2PE-metoder 162

5.3.1. Allmän genomgång av experimentella resultat erhållna med NPE- och 2PE-metoderna för sex oordnade föroreningssystem 163

5.3.2. Lågtemperaturdataanalys 171

5.3.3. Modellberäkningar av temperaturberoendet inom ramen för den modifierade teorin om FE i lågtemperaturglas 173

5.3.4. Analys av data för området med mellantemperaturer 176

5.4. Analys av högtemperaturdata med hänsyn till spektrumet av lågfrekventa partiklar 178

5.5. Dataanalys med den mjuka potentialmodellen 183

5.5.7. Grundläggande relationer som beskriver linjebreddning som används i dataanalys inom ramen för MP-modellen 183

5.5.2. Resultat av modellberäkningar och deras jämförelse med experiment 184

5.6. Slutsatser om kapitel V 188

KAPITEL VI. Studier av dynamiken hos organiska föroreningspolymerer med hjälp av enkelmolekylspektroskopi 190

6.1. Beskrivning av spektra av enstaka molekyler med begreppet momentfördelningar 190

6.2. Resultat av mätningar av spektra för enstaka TBT-molekyler i amorf polyisobutylen vid T = 2 K 191

6.2.1. Exempel på OM-spektra och deras tidsutveckling 192

6.2.2. Temporalt beteende hos spektra av enstaka molekyler, i överensstämmelse med TLS-modellen 193

6.3. Modellberäkningar av spektra för enstaka molekyler 197

6.3.1. Algoritm för att beräkna spektrumet för en enda molekyl 197

6.3.2. Val av modellparametrar 198

6.3.3. Bidrag av nära och fjärran TLS till spektrumet av OM 199

6.4. Begreppet ögonblick och egenskaper hos metodiken för att jämföra experimentella och teoretiska resultat 202

6.5. Jämförelse av resultaten av modellberäkningar och experimentella data om fördelningen av moment och linjebredder för spektra av OM 207

6.5.1. Analys av fördelningen av moment för OM-spektrallinjer. 207

6.5.2. Dispersion av TLS-kromoforinteraktionskonstanten och det minsta avståndet mellan föroreningscentrum och TLS 210

6.6. Spektra av enstaka molekyler i lågtemperaturglas och avgiftsstatistik 212

6.7. Fördelningar av spektrala toppbredder och bidraget från kvasi-lokala lågfrekventa vibrationslägen till breddningen av spektra för OM 214

6.8. Statistisk analys av multiplettstrukturen av spektra av enstaka molekyler 216

6.9. Karakteristiska rumsliga zoner för interaktion mellan tvånivåsystem med en enda molekyl 217

6.10. Jämförelse av data erhållna genom enkelmolekylspektroskopi och fotoneko 224

6.11. Slutsatser om kapitel VI 227

Slutsats 229

Lista över figurer och tabeller 234

Lista över formler 238

Lista över begagnad litteratur

Introduktion till arbetet

Anteckning. Ett nytt tillvägagångssätt för studiet av oordnade molekylära medier i fast tillstånd har utvecklats och systematiska experimentella och teoretiska studier av dynamiken hos amorfa organiska glas och polymerer har utförts i ett brett område av låga temperaturer (0,35 - 100 K). Det utvecklade tillvägagångssättet är baserat på att erhålla information om dynamiken hos mediet som studeras från spektra av föroreningskromoformolekyler som introduceras i provet som studeras som en spektral mikroskopisk sond, och är baserad på följande två experimentella principer: 1) användningen av fotonekometoden för att mäta tiderna för optisk avfasning av föroreningskromoformolekyler i en oordnad matris för att eliminera tidsgenomsnitt under experimentet. 2) detektion av ett stort antal spektra av föroreningsenkelkromoformolekyler och efterföljande statistisk analys av de uppmätta spektra. Det utvecklade tillvägagångssättet gör det möjligt att erhålla data som återspeglar de allmänna egenskaperna hos miljön som studeras, snarare än slumpmässiga parametrar i den lokala miljön, och samtidigt behålla information om miljöns mikroskopiska parametrar. Dess användning gör det möjligt att erhålla information om dynamiska fenomen i molekylära medier, oförvrängd av medelvärde, och därmed eliminera huvudsvårigheten med befintliga mätmetoder för att diagnostisera störda medier. Systematiska studier av processerna för spektral diffusion och optisk avfasning i amorfa organiska glas och polymerer har utförts med hjälp av ett utvecklat experimentellt tillvägagångssätt och en förbättrad teoretisk modell av spektraldynamiken hos lågtemperaturglas. Ny information har erhållits om den spektrala dynamiken hos amorfa organiska medier i ett brett spektrum av låga temperaturer, vilket avsevärt utökar nivån av förståelse för detta fenomen.

Ämnets relevans . För närvarande, i vardagen, teknik och vetenskaplig forskning, solid state material och

strukturer baserade på oordnade organiska medier. Dessa är en mängd olika polymerer, inklusive så lovande material som konjugerade polymerer, dendrimerer, ett brett utbud av organiska glas, amorfa halvledare och strukturer baserade på dem, etc. Oordnade organiska medier inkluderar också majoriteten av nanoobjekt och nanostrukturer av organisk natur. intresset för som nyligen har ökat kraftigt har ökat, eftersom de är en av huvudelementen i snabbt utvecklande nanoteknik i vår tid. De nämnda systemen inkluderar en mängd olika biologiska miljöer och strukturer, vars studier och användning är ett av de viktiga områdena inom modern vetenskap och teknik. Oordnade organiska medier är lovande föremål för att skapa nya material och enheter med ovanliga egenskaper. Till exempel pågår för närvarande en intensiv utveckling inom området molekylär mikroelektronik baserad på organiska material. Bred tillämpning i praktiken och behovet av att skapa nya material och strukturer baserade på oordnade organiska ämnen gör det relevant att fördjupa sig i deras grundläggande egenskaper. De flesta av dessa egenskaper, såsom termiska, mekaniska, elektriska, kemiska, optiska, spektrala, etc., bestäms av materiens inre dynamik. Därför studier av dynamiska processer i oordnade molekylära medier mycket relevant och är viktiga både för utvecklingen av vetenskapen om molekylära fasta tillståndsmedier och för utvecklingen av nya teknologier baserade på utveckling och användning av organiska ämnen med en komplex struktur.

Huvudmål med avhandlingsarbetet . Fram till nyligen var huvudforskningen inom området för dynamik hos fasta medier inriktad på att studera högordnade kristallina ämnen. Som ett resultat av dessa studier är den mikroskopiska naturen hos de grundläggande elementära excitationerna i kristaller nu allmänt känd. En helt annan situation uppstår när man förstår grunderna för dynamiken hos oordnade fasta (särskilt organiska) medier. Trots betydande

forskarnas ansträngningar förblir de flesta grundläggande frågorna på detta område öppna. Till exempel är ett av de allvarligaste problemen med att beskriva egenskaperna hos oordnade medier bristen på information om den mikroskopiska karaktären hos elementära lågfrekventa excitationer i dessa medier. Teorin om dynamiska fenomen i oordnade molekylära medier har ännu inte utvecklats, vilket gör det möjligt att beskriva hela uppsättningen av tillgängliga experimentella resultat. Befintliga modeller har ett begränsat tillämpningsområde och är i de flesta fall rent fenomenologiska till sin natur. En av huvudorsakerna till denna omständighet är den låga lämpligheten hos traditionella experimentella metoder för att få information om egenskaperna hos oordnade fasta medier. Detta förklaras av den betydande spridningen av de lokala parametrarna för sådana medier, som ett resultat av vilka traditionella metoder endast ger högt genomsnittliga data om ämnet som studeras, vilket leder till betydande snedvridningar och förluster av information. Dessutom utvecklades de flesta av de befintliga teoretiska tillvägagångssätten för att beskriva dynamiken hos media i fast tillstånd huvudsakligen för att studera kristaller, och dessa tillvägagångssätt är till liten nytta för att beskriva oordnade medier där det inte finns någon symmetri och ordning i arrangemanget av molekyler. Därför, för att uppnå betydande framsteg i vår förståelse av de grundläggande dynamiska fenomenen i oordnade organiska medier, var det nödvändigt att utveckla fundamentalt nya metoder för experimentell studie av dynamiska fenomen i dessa medier, vilket skulle avsevärt öka mängden information som erhålls och eliminera dess snedvridningar. Det var också nödvändigt att utveckla nya angreppssätt i den teoretiska beskrivningen av dynamiken hos oordnade fasta medier.

Karaktären av dynamiska processer i oordnade medier beror avsevärt på temperaturen. Enligt tillgängliga experimentella data och föreslagna modeller, när T 2-3 K-dynamiken hos oordnade fasta medier bestäms huvudsakligen av tunnling av tvånivåsystem. Vid högre temperaturer börjar bidraget från lågfrekventa kvasilokala vibrationslägen att dominera. Enligt moderna idéer

Dessa lägen uppträder i ett ganska brett temperaturområde (från 2-3 K till tiotals grader Kelvin), som vanligtvis kallas mellanliggande. Vid högre temperaturer blir interaktionen mellan lågfrekventa energiexcitationer av mediet signifikant. I sådana fall är det inte längre möjligt att beskriva dynamiken i oordnade fasta tillståndssystem på språket för elementära energiexcitationer.

I början av detta arbete hade ett stort antal studier utförts på lågtemperaturdynamiken hos oordnade medier av både oorganisk och organisk natur. Huvuddelen av forskningen ägnades åt att studera parametrarna och karaktären av tunneldrivning av tvånivåsystem med TK Frågan om vilken roll lågfrekventa kvasilokala vibrationslägen har vid högre temperaturer har praktiskt taget inte studerats. De genomförda studierna har visat att parametrarna som beskriver dynamiska processer i organiska medier kan skilja sig markant från motsvarande parametrar för oorganiska medier. Med hänsyn till behovet av att utöka vår kunskap om dynamiken hos komplexa oordnade fasta system och vikten av att studera egenskaperna hos organiska ämnen, beslutades det att ägna detta arbete åt att studera dynamiken hos organiska oordnade ämnen (glas, polymerer). Huvudinsatserna var inriktade på att studera karaktären och parametrarna för föga studerade lågfrekventa kvasilokala vibrationslägen i dessa ämnen. För att erhålla information om den interna dynamiken hos mediet som studeras användes metoden för spektroskopi av föroreningscentra. I det här fallet var dessa kromoformolekyler som absorberar ljus i ett utvalt spektralområde och introducerades i det studerade mediet, som är transparent i detta intervall, som spektralsonder. Effektiviteten av denna metod, som är välkänt, förklaras av det faktum att de optiska spektra av föroreningsmolekyler är extremt känsliga för parametrarna i deras miljö och innehåller information om mediets lokala dynamik.

För att studera den ultrasnabba dynamiken som är inneboende i kvasi-lokala vibrationslägen och snabba övergångar i tvånivåsystem, var det först och främst nödvändigt att eliminera tidsgenomsnittet i mätningar

optiska spektra av föroreningsmolekyler och avsevärt utöka temperaturområdet för mätningar. Dessutom var det nödvändigt att eliminera medelvärdesbildning över en ensemble av föroreningsmolekyler. Därför valdes fotonekometoden och enkelmolekylspektroskopimetoden som arbetsmetoder. Dessa metoder har dock använts lite för att studera dynamiken hos oordnade organiska medier och kräver betydande förbättringar.

Ovanstående förklarar valet av huvudmålen för avhandlingen, som kan formuleras enligt följande:

Utveckling och förbättring av metoder för experimentell studie av dynamiska processer i oordnade fasta medier, vilket gör det möjligt att: a) eliminera ensemblen och tidsgenomsnittet av de erhållna data som är inneboende i traditionella metoder, b) att avsevärt utöka forskningens temperaturområde.

Genomföra systematiska experimentella studier av dynamiska fenomen i speciellt utvalda orenhetsordnade organiska fasta system i ett brett område av låga temperaturer (T 100 K) för att erhålla nya data om dynamiska processer i oordnade medier, i synnerhet för att få information om de fenomen som studeras på mikroskopisk nivå.

För att göra detta var det nödvändigt att utveckla följande experimentella metoder och teoretiska modeller:

o Utveckla en fotoneko-metod för att mäta optiska avfasningstider i orenheter i organiska oordnade system, för att eliminera tidsgenomsnitt under mätningar och avsevärt öka tidsupplösningen för metoden, för att avsevärt utöka temperaturområdet för mätningar.

o Utveckla en metod för enkelmolekylspektroskopi för att studera dynamiken hos oordnade fasta organiska medier så att det blir möjligt att få allmän information om egenskaperna hos de studerade

system, samtidigt som mikroskopisk information om de processer som studeras bevaras, som finns i de individuella spektra av föroreningskromoformolekyler.

o Förbättra den befintliga modellen för optisk avfasning i föroreningsglas för att utöka tillämpningsområdet.

Vetenskaplig nyhet. Alla resultat som erhållits i arbetet är nya, och de utvecklade metoderna och tillvägagångssätten är originella.

Huvudresultat av arbetet anges i slutsatsen.

Författarbidrag . Huvudforskningen utfördes vid Institutet för spektroskopi vid den ryska vetenskapsakademin med metoder utvecklade av författaren, på en experimentell uppsättning skapad under hans ledning och med hans direkta deltagande.

En del av experimenten, som inkluderar experiment på dubbelpulsfotoneko vid temperaturer under 4 K och experiment med enkelmolekylspektroskopi, utfördes vid University of Bayreuth (Tyskland) på initiativ av författaren och med deltagande av tyska kollegor. I det här fallet utfördes inställningen av uppgifter personligen av författaren, och analysen av de erhållna resultaten utfördes av honom eller under hans ledning.

Formuleringen av alla problem, med undantag för den jämförande studien av två föroreningssystem: terrylen i polyeten och tetra-tert-butylterrylen i polyisobutylen, med hjälp av metoderna för fotoneko och enkelmolekylspektroskopi, föreslagna av R.I. Personov, utfördes av författaren.

Alla experiment, tolkning, bearbetning och teoretisk analys av resultaten utfördes antingen av författaren självständigt eller under hans ledning och med aktivt deltagande.

I olika skeden av arbetet deltog anställda vid Laboratory of Electronic Spectra of Molecules vid Institutet för spektroskopisk forskning i forskningen.

FII RAS Professor R.I. Personov, juniorforskare N.V. Gruzdev, Ph.D. M.A. Kolchenko, Ph.D. A.V. Naumov, student vid institutionen för kvantoptik, MIPT A.V. Deev, professorerna D. Haarer och L. Kador och doktoranderna S. J. Zilker och M. Bauer från University of Bayreuth (Tyskland), samt Dr. Eli Barkai (E. Barkai) från Mae Sachu Seto Institute of Technology (USA) . Författaren uttrycker uppriktig tacksamhet till dem alla.

Arbetets praktiska betydelse .

En teknik har utvecklats och en experimentell uppställning har byggts för att diagnostisera ultrasnabba processer av spektrallinjebreddning i föroreningar i fasta tillståndssystem i ett brett temperaturområde med hjälp av metoden med inkoherent fotoneko. Tekniken är baserad på användningen av en bredbandslaser som en brusljuskälla och kräver inte användning av komplexa och dyra femtosekundlasrar. Den utvecklade tekniken gör det möjligt att mäta optiska avfasningstider med nära den maximala tidsupplösningen (upp till 25-30 fs) i ett brett spektrum av organiska föroreningsämnen och få information om processerna för spektral diffusion i nanosekunders tidsintervall.

En teknik har föreslagits för att identifiera den komplexa multiplettstrukturen för spektra av enstaka molekyler i amorfa media och bestämma deras tillhörighet till olika molekyler genom att detektera och analysera tidshistoriken för sådana spektra. Den utvecklade tekniken utökar avsevärt kapaciteten hos enmolekylspektroskopi när man studerar spektraldynamiken hos amorfa föroreningssystem vid låga temperaturer.

En teknik föreslås för den kvantitativa beskrivningen av den komplexa formen av spektra av enskilda molekyler i föroreningsmolekylära system och deras statistiska analys baserad på begreppet moment och kumulanter. Tekniken låter dig få information om allmänna dynamiska egenskaper

systemet som studeras, som ingår i den individuella strukturen av sådana spektra, och samtidigt, under deras analys, behålla information om parametrarna för den omedelbara miljön av föroreningsmolekyler.

Grundläggande vetenskapliga bestämmelser inlämnade till försvar :

En ny vetenskaplig riktning är spektroskopi av dynamiska processer i oordnade molekylära fasta system med eliminering av tidsgenomsnitt och medelvärdesberäkning över en ensemble av föroreningsmolekyler. Metodik för att studera processerna för optisk avfasning och spektral diffusion i organiska föroreningsglas och polymerer i ett brett område av låga temperaturer.

Ett nytt tillvägagångssätt för att studera dynamiken hos oordnade molekylära fasta tillståndssystem, baserat på registrering av spektra för ett stort antal enkla kromoformolekyler och deras efterföljande analys. Separation av bidragen från två olika mekanismer till bildandet av spektra av kromoformolekyler i amorfa medier vid låga temperaturer: bidraget från tunnling av tvånivåsystem och bidraget från lågfrekventa kvasi-lokala vibrationslägen i en oordnad matris. Ny mikroskopisk information om den spektrala dynamiken hos de studerade amorfa föroreningssystemen, oförvrängd av ensemblemedelvärde och återspeglar de allmänna egenskaperna hos systemen som studeras.

Erhålla ny information om fördelningarna av frekvensförskjutningar, generaliserad bredd, asymmetri och "spikeiness" av spektra av enstaka föroreningsmolekyler i en amorf föroreningspolymermatris vid låga temperaturer genom att analysera spektra med hjälp av fördelningarnas moment.

Detektion av nanosekund spektral diffusion i en amorf glasmatris och bestämning av dess temperaturberoende. Experimentell bekräftelse av tillämpbarheten av modellen med mjuk potential för att beskriva processerna för breddning av en homogen noll-fononlinje

över ett brett område av låga temperaturer.

Detektion och studie av effekterna av deuteration i Cr^-gruppen av frusen etanol.

Experimentell bedömning av minimiavståndet mellan tvånivåsystem och kromoformolekyler i amorfa föroreningspolymerer från data om fotoneko och spektroskopi av enstaka molekyler vid låga temperaturer.

Uppskattning av det effektiva bidraget av lågfrekventa kvasilokala vibrationslägen till den totala linjebredden i spektra av enkla kromoformolekyler i en amorf polymer vid flera låga temperaturer.

Detektering av dispersion av optiska avfasningstider i ett antal oordnade föroreningssystem vid låga temperaturer.

Experimentell bekräftelse av tillämpligheten av Levy-statistik för att beskriva fördelningarna av de första och andra kumulanterna av lågtemperaturspektra av enstaka föroreningsmolekyler i en amorf polymermatris.

Godkännande av arbete . Huvudresultaten av arbetet presenterades systematiskt vid allryska och internationella konferenser:

Andra internationella konferensen: "Laser M2P" (Grenoble, Frankrike, 1991); XIV internationella konferens om koherent och icke-linjär optik (Leningrad, Ryssland, 1991); 2nd International Symposium "Persistent Spectral Hole Burning: Science and Applications" (Monterey, Kalifornien, USA, 1991); 3:e internationella symposiet "Spectral Hole Burning and Luminescence Line Narrowing: Science and Applications" (Ascona, Schweiz, 1992); 4:e internationella symposiet: "Spectral Hole Burning and Related Spectroscopies: Science and Applications" (Tokyo, Japan, 1994); Österrikisk-israelisk-tyska symposium: "Dynamiska processer i kondenserade molekylära system" (Baden, Österrike, 1995); 54:e internationella symposiet:

"Snabba elementära processer i kemiska och biologiska system" (Lille, Frankrike, 1995); 5:e internationella symposiet: "Hålbränning och relaterade spektroskopier: vetenskap och tillämpningar" (Brainerd, Minnesota, USA, 1996); 8:e internationella konferensen: "Okonventionella fotoaktiva system" (Nara, Japan, 1997); 11:e internationella konferensen: "Dynamiska processer i upphetsade tillstånd av fasta ämnen" (Österrike, Mittelberg, 1997); 6:e internationella symposiet: "Hålbränning och relaterade spektroskopier: vetenskap och tillämpningar" (Khortin, Bordeaux, Frankrike, 1999); Sjunde internationella symposiet: "Hålbränning och relaterade spektroskopier: vetenskap och tillämpningar" (Taipei, Taiwan,

G.); XXX Allryska kongressen om spektroskopi (Zvenigorod, Moskvaregionen, Ryssland, 2001); GC-th International Conference on Quantum Optics (Minsk, Vitryssland, 2002); Internationell konferens: "Luminescens och optisk spektroskopi av kondenserad materia" (Budapest, Ungern,

G.); 8:e internationella symposiet: "Hole Burning and Related Spectroscopies: Science and Applications" (Bozeman, Montana, USA, 2003); 14:e internationella konferensen: "Dynamiska processer i upphetsade tillstånd av fasta ämnen" (Christchurch, Nya Zeeland, 2003); X-te internationella konferensen om kvantoptik (Minsk, Vitryssland 2004); VIII Tysk-Ryskt seminarium: "Punktdefekter i isolatorer och djupa centra i halvledare" (St. Petersburg, Ryssland, 2003); XI Internationell konferens: "Phonon-spridning i kondenserad materia" (St. Petersburg, Ryssland, 2004); Internationell konferens tillägnad minnet av R.I. Personova (Bayreuth, Tyskland, 2004).

För utvecklingen av enkelmolekylära spektroskopimetoden för att studera lågtemperaturdynamiken hos oordnade fasta medier, tilldelades författaren priset från Presidium för den ryska vetenskapsakademin uppkallad efter akademiker D.S. Rozhdestvensky för enastående prestationer inom optik och spektroskopi för 2003.

Publikationer . Avhandlingsmaterialet återspeglas i 36 artiklar i ledande peer-reviewed inhemska och internationella tidskrifter.

1. N.V. Grazdev, E.G. Sil"kis, V.D. Titov, Yu.G. Vainer,

"Foto-ekostudie av ultrasnabb avfasning i amorfa fasta ämnen i ett brett temperaturområde med inkoherent ljus" II J. de Phys. IV, Colloque.C7, tillägg till J. de Phys. Ill, vol. 1, sid. C7-439 - C7-442, 1991.

2. N.V. Grazdev, E.G. Sil"kis, V.D. Titov och Yu.G. Vainer,

"Ultrasnabb avfasning av resorufin i D-etanolglas från 1,7 till 40K studerad av inkoherent fotoneko" IIJOSA B, Vol. 9, sid. 941-945, (1992).

3. N.V. Grazdev och Yu.G. Vainer,

"Nanosekund spektral diffusion och optisk avfasning i organiska glas över ett brett temperaturområde: inkoherent fotonekostudie av resorufin i D- och D6-etanol" IIJ. Lumin., Vol. 56, sid. 181-196, (1993).

4. SÖDER. Weiner,H.B. Gruzdev,

d- Och d^- etanol vid 1,7-35 K med användning av metoden med inkoherent fotoneko. I. Experiment. Huvudresultat" // Optik och spektroskopi, Volym 76, nr 2, henne. 252 - 258 (1994).

5. SÖDER. Weiner, N.V. Gruzdev,

"Dynamik hos organiska amorfa medier vid låga temperaturer: Studier av resorufin i d- Och d^- etanol vid 1,7-35 K med användning av metoden med inkoherent fotoneko. P. Analys av resultat" // Optik och spektroskopi,

Volym 76, nr 2, henne. 259-269 (1994).

6. SÖDER. Weiner, R.I. Personov,

"Fotoeko i amorfa media under förhållanden med betydande spridning av enhetliga linjebredder av föroreningscentra" // Optik och spektroskopi,

Volym 79, nr 5, henne. 824 - 832 (1995).

7. Yu.G. Vainer, T.V. Plakhotnik och R.I.Personov,

"Avfasning och diffusionslinjebredder i spektra av dopade amorfa fasta ämnen: jämförelse av fotoneko- och enmolekylspektroskopidata för terrylen i polyeten" IIChem. Phys., vol. 209, sid. 101-110, (1996).

8. Yu.G. Vainer, R.I. Personov, S. Zilker och D. Haarer,

"Bidrag från de olika linjebreddningsmekanismerna i fotonekon och enstaka molekylspektra i amorfa fasta ämnen" IIMina. Kristus. Liq. Cryst, vol. 291, sid. 51-56, (1996).

9. S.J. Zilker, Yu.G. Vainer, D. Haarer,

"Linjebreddningsmekanismer i spektrum av organiska amorfa fasta ämnen: fotonekostudie av terrylen i polyisobutylen vid subkelvintemperaturer" IIChem.

Phys. Lett, v.273, sid. 232-238 (1997).

S.J. Zilker, D. Haarer, Yu.G. Vainer, R.L Personov, "Temperaturberoende linjebreddning av kromoforer i amorfa fasta ämnen: skillnader mellan enmolekylspektroskopi och fotonekoresultat" IIJ. Lumin., v.76/77, sid. 157-160, (1998).

S.J. Zilker, D. Haarer, Yu.G. Vainer, A.V. Deev, V.A. KoGspepko och R.L Personov,

"Snabb avfasning i glasögon inducerad av tunnlingstillstånd och lokala lägen" IIMina. Kristus. Liq. Cryst., v.314, sid. 143-148, (1998).

S.J. Zilker, J. Friebel, D. Haarer, Yu.G. Vainer, R.L Personov, "Undersökning av lågtemperaturlinjebreddande mekanismer i organiska amorfa fasta ämnen genom fotoneko, hålbränning och enkelmolekylspektroskopi" IIChem. Phys. Lett, v.289, sid. 553-558, (1998).

S.J. Zilker, L. Kador, J. Friebel, Yu.G. Vainer, M.A. Kol"chenko, RL Personov, "Jämförelse av fotoneko, hålförbränning och enkelmolekylära spektroskopidata om lågtemperaturdynamik hos organiska amorfa fasta ämnen" IIJ. Chem. Phys., v.109, nr 16, sid. 6780-6790, (1998).

Yu.G. Vainer, M.A. Kol"chenko, A.V. Naumov, R.L Personov, S.J. Zilker, "Fotoekon i dopade organiska amortösa system över ett brett (0,35-100K) temperaturområde" IIJ. Lumin., v.86, nr 3&4, s. 265-272 (2000).

A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, S.J. Zilker,

"Icke-exponentiell två-puls fotoneko-avklingning i amorfa fasta ämnen vid låga temperaturer" IIJ. Lumin., v.86, nr 3&4, s. 273-278 (2000).

16. IQ.F. Weiner, M.A. Kolchenko, R.I. Personov,

"Modell of soft potentials and uniform width of spectral lines of purity centers in molecular amorphous media" // Journal of Experimental and Theoretical Physics, v. 119, nummer 4, ee.738-748, (2001).

A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, S. Zilker, L. Kador, "Fördelningar av moment av enmolekylära spektrallinjer och dynamiken hos amorfa fasta ämnen" II Phys. Varv. B, v.63, s. 212302(l-4) (2001).

A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, L. Kador,

"Ögonblick av enmolekylspektra i lågtemperaturglas: Mätningar och modellberäkningar" IIJ. Chem. Phys., v.116, Nol8, s. 8132-8138 (2002).

19. Yu.G. Vainer, M.A. Kol"chenko, A.V. Naumov, R.L. Personov, S.J. Zilker, D.
Haarer,

"Optisk avfasning i dopade organiska glas över ett brett (0,35-100K) temperaturområde: fast toluen dopad med Zn-oktaetylporfin" IIJ. Chem. Phys.,

v.ll6, No20, s. 8959-8965 (2002).

20. A.V. Naumov, Yu.G. Vainer,

"Minimalt avstånd mellan kromofor och tvånivåsystem i amorfa fasta ämnen: effekt på fotoneko och data för en molekylspektroskopi" II J. Lu-min., v.98, No.l&4, s.63-74 (2002).

21. M.A. Kol"chenko, Yu.G. Vainer, R.I. Personov,

"Optisk avfasning i polymerer och den mjuka potentialmodellen: Analys av fotoneko i dopad PMMA" IIJ. Lumin., v.98, No.l&4, s.375-382 (2002).

SÖDER. Weiner, M.A. Kolchenko, A.V. Naumov, R.I. Personov, S.J. Zilker, "Optisk avfasning i fast toluen aktiverad av zink-oktaetylporfin" // Fysik solid state, volym 45, nummer. 2, henne. 215-221, (2003).

A.V. Naumov, Yu.G. Vainer,

"Modifierad modell av fotoneko i lågtemperaturglas: Effekt av minimalt avstånd mellan tvånivåsystem och kromofor"// J. Phys. Chem. B, v.107, sid. 2054-2060, (2003).

24. SÖDER. Weiner, A.V. Naumov, M. Bauer, L. Kador,

"Dynamik hos amorfa polymerer vid låga temperaturer och tidsutveckling av spektra av enstaka föroreningsmolekyler. I. Experiment" // Optik och spektroskopi, Volym 94, nr 6, henne. 926-935.

25. SÖDER. Weiner, A.V. Naumov, M. Bauer, L. Kador,

"Dynamik för amorfa polymerer vid låga temperaturer och tidsutveckling av spektra av enstaka föroreningsmolekyler. P. Modellberäkningar och analys av resultat" // Optik och spektroskopi, Volym 94, nr 6, henne. 936-948.

26. M. Bauer, L. Kador, A.V. Naumov, Yu.G. Vainer,

"Termisk aktivering av tvånivåsystem i ett polymerglas som studerats med singelmolekylspektroskopi" IIJ. Chem. Phys., v. 119, nr 7, sid. 3836-3839 (2003).

27. E. Barkai, A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, L. Kador,

"Beskattningsstatistik för slumpmässiga linjeformer med en molekyl i ett glas" IIPhys. Varv. Lett, v. 91, nr 7, sid. 075502 (1-4) (2003).

28. A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, L. Kador,

"Dynamiken hos en dopad polymer vid temperaturer där tvånivåsystemmodellen av glasögon misslyckas: Studie med enkelmolekylspektroskopi" IIJ. Chem. Phys. Vol. 119, nr 12, sid. 6296-6301 (2003).

29. E.J. Barkai, Yu.G. Vainer L. Kador, R.J. Silbey, L"evy distribution av singel
molekyl linje form kumulanter i glas II Sammandrag av papper från den amerikanska

kemiska samhället, vol. 226, P. U286 (2003).

E. Barkai, A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, L. Kador, "Experimentella bevis för Levy-statistik i enkelmolekylär spektroskopi i ett lågtemperaturglas: manifestation av långdistansinteraktioner" IIJ. Lumin., vol. 107, nr 1-4, sid. 21-31 (2004).

Yu.G. Vainer

"Dynamiken för amorfa polymerer i temperaturområdet 2 - 7 K där standardmodellen av lågtemperaturglas börjar misslyckas: studier med enkelmolekylspektroskopi och jämförelse med fotonekodata" IIJ. Lumin., vol. 107, nr 1-4, sid. 287-297 (2004).

32. SÖDER. Weiner,

"Spektroskopi av enskilda molekyler och dynamik hos oordnade fasta ämnen" // Framsteg inom fysik, Volym 174, nr 6, hennes. 679-683 (2004).

33. Yu.G. Vainer, A.V. Naumov, M. Bauer, L. Kador,

"Kvasilokaliserade lågfrekventa vibrationslägen av oordnade fasta ämnen. I. Studie med fotoneko" IIPhys. Statistik. Sol. B, v.241, nr 15, s. 3480-3486 (2004).

A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, L. Kador, "kvasilokaliserade lågfrekventa vibrationssätt av oordnade fasta ämnen. II. Studie genom enkelmolekylspektroskopi" IIPhys. Statistik. Sol. B, v.241, nr 15, s. 3487-3492 (2004).

SÖDER. Weiner, A.B. Naumov, M. Bauer, L.Kador, E.Barkai, "Statistisk analys av spektra av föroreningsenkelmolekyler och dynamik hos oordnade fasta ämnen. I. Fördelningar av bredder, moment och kumulanter" // Optik och spektroskopi, Volym 98, nr 5, henne. 806-813 (2005).

SÖDER. Weiner, A.V. Naumov,

"Statistisk analys av spektra av enstaka föroreningsmolekyler och dynamiken hos oordnade fasta ämnen. P. Manifestation av interaktionen mellan tvånivåsystem och föroreningsmolekyler beroende på avståndet mellan dem" // Optik och spektroskopi, Volym 98, nr 5, henne. 814-819 (2005).

Lagar för distribution av DOS enligt interna parametrar

Det här kapitlet presenterar de viktigaste bestämmelserna i den teoretiska metoden som används i detta arbete för att analysera de experimentella data som erhållits. En kort beskrivning av standard TLS-modellen, slumpmässiga hoppmodellen och mjukpotentialmodellen ges. De teoretiska modeller som utvecklats i arbetet beskrivs och är avsedda att beskriva processerna för optisk avfasning i oordnade föroreningar i fast tillståndssystem vid låga och mellanliggande temperaturer. Dessa är en modifierad modell av FE i lågtemperaturglas och en modell av FE i föroreningsglas, baserad på modellen med mjuk potential. Den första modellen utvecklades för att utöka kapaciteten hos teorin om FE i lågtemperaturglas av Geva (E. Geva) och Skinner (J.L. Skinner) när man beskriver breddningsprocesser i föroreningsglas med deltagande av TLS. Det kan betraktas som en generalisering av denna teori. Den andra modellen utvecklades för att beskriva breddningsprocesser som involverar inte bara TLS utan också kvasi-lokala lågfrekventa vibrationslägen (LFVs) av den amorfa matrisen. Detta var nödvändigt för att öka temperaturintervallet inom vilket teorin kunde tillämpas. Alla teoretiska modeller som används i detta arbete är baserade på ett stokastiskt tillvägagångssätt för att beskriva processerna för linjebreddning av föroreningskromoformolekyler i en oordnad matris och modellen för okorrelerade slumpmässiga hopp (sudden jump model).

Utöver det stokastiska tillvägagångssättet utvecklar ett antal verk (se t.ex. Osadkos och Silbeys (R.J. Silbeys) verk) ett dynamiskt förhållningssätt. Teorier om linjebreddning av ett föroreningscentrum i glas baserade på det dynamiska tillvägagångssättet är mer generella till sin natur. Men för att beskriva glasögonens dynamiska egenskaper vid låga temperaturer används oftare enklare uttryck som erhållits inom ramen för stokastiska teorier. I detta arbete användes båda tillvägagångssätten: dynamisk - när det gäller att överväga interaktionen av kromoforer med NPM och stokastisk - när man överväger processerna för interaktion med TLS. Det stokastiska tillvägagångssättet valdes av skäl för större enkelhet i beräkningar, samt där tillämpningen av dynamisk teori enligt vår uppfattning inte ledde till väsentligt nya resultat.

Begreppet DUS, som ligger till grund för denna modell, föreslogs som rent fenomenologiskt. Det antas att denna typ av elementära lågenergiexcitationer motsvarar övergångar av atomer eller molekyler eller deras grupper mellan två lokaliserade lågt liggande isolerade nivåer på den potentiella ytan av ett ämne (övergångar till externa nivåer beaktas inte i modellen). Dessa nivåer är åtskilda av en potentiell barriär, som övervinns genom tunnling med fononemission eller absorption. Modellen antar att vid låga temperaturer (T 1 K) överstiger densiteten av tillstånden för TLS avsevärt tätheten för tillstånden för akustiska fononer. Därför bestäms dynamiska processer i glas som inträffar vid sådana temperaturer av dynamiken hos TLS. Den mikroskopiska karaktären hos TLS har ännu inte klarlagts. Ett sällsynt undantag är flera kristallsystem med sk. "väldefinierad" TLS (till exempel föroreningskristaller av bensoesyra), där det är möjligt att relatera matrisens specifika mikroskopiska natur med TLS-parametrarna. En intuitiv förståelse av TLS natur underlättas genom att överväga resultaten av arbetet, där en tvådimensionell modell av glas konstruerades, bestående av sfäriska partiklar ("atomer") i två storlekar. I fig. 2.1. två varianter av TLS-bildning i ett sådant hypotetiskt glas visas. I den första versionen består TLS av en atom som hoppar mellan två jämviktspositioner, i den andra består den av en grupp atomer som hoppar tillsammans. Det är uppenbart att i riktiga glasögon, i synnerhet i molekylära glasögon, kommer bilden av TLS-bildning att vara mer komplex och kan skilja sig väsentligt från ovanstående modell.

Här är A asymmetrin för TLS och J är tunnelmatriselementet, vilket uttrycks genom parametrarna för dubbelbrunnspotentialen som beskriver TLS: där A är tunnelparametern, m är den effektiva massan av TLS, V är barriärhöjden, Ycoo är nollpunktsenergin, d är avståndet mellan brunnarna i konfigurationsutrymmet (se fig. 2.2).

Således kännetecknas varje TLS av ett par interna parametrar A och J eller A och L. Det bör noteras att i vissa fall kännetecknas TLS av ett par andra parametrar: splittringsenergin E och den totala relaxationshastigheten för TLS K, där K är lika med summan av övergångshastigheterna mellan nivåerna \ g) och \ e) i båda riktningarna). Parametrarna E och K är relaterade till parametrarna A och J genom följande relationer:

Här är c ​​TLS-fononinteraktionskonstanten; k - Boltzmann konstant; yt (уі) och ц (к) - tvärgående (längsgående) komponenter av deformationspotentialen respektive ljudhastigheten; rt är den volymetriska densiteten för TLS; h är Plancks konstant.

Det bör noteras att uttrycket (2.4) endast är giltigt för en enkelfononmekanism för interaktion mellan TLS och "fononbadet" och under förutsättning att det inte finns någon interaktion mellan TLS. Bidragen från två-fonon samt a(d.v.s. överbarriärövergångar) vid låga temperaturer är betydligt lägre och betraktas inte inom ramen för standardmodellen av lågtemperaturglasögon.

När man beskriver lågtemperaturdynamiken hos glasögon spelar lagarna för distribution av TLS-parametrar som accepteras i teorin en viktig roll. Ett av de grundläggande antagandena för standard-TLS-modellen är uttalandet om den breda och enhetliga fördelningen av TLS över parametrarna A och A: eller för parametrarna A och J: där Po är normaliseringskoefficienten:

Här är Amax, Like, Lpsh de begränsande parametrarna för modellen, som karakteriserar variationsintervallen för parametrarna A och J. Dessa gränser väljs enligt modellen så att där Gexp är den största av de realiserade mättiderna. Således utelämnar modellen de TLS:er (formel 2.8), vars sannolikhet för hopp är försumbar, eftersom deras splittringsenergi avsevärt överstiger energin hos termiska fononer, såväl som de "långsamma" TLS:erna (formel 2.9), sannolikheten för en hoppa i som under experimentet också är extremt liten (för mer information se). Om värdena för de angivna gränserna väljs korrekt, bör ingen av modellens uppmätta kvantiteter bero på dem. Notera att antagandet om fördelningar av formen (2.5, 2.6) gjordes på grundval av några allmänna fysiska begrepp om glas och inte kan anses vara det enda korrekta.

Som resultaten av många studier visar, beskriver standard TLS-modellen väl de flesta av de experimentellt observerade manifestationerna av den interna dynamiken hos amorfa medier.

Emission av en sammanhängande ensemble av kromoformolekyler

Det kan ses att förekomsten av en radie som inte är noll leder till en förändring i formen av beroendet. Maktlagen beskriver sådana beroenden inte längre adekvat. Strängt taget observerades detta faktum även vid gmin = 0. Men vid gmin F 0 är avvikelsen från maktlagsberoendet mycket större (med ökande gmin ökar avvikelsen). Som ett resultat beror något "effektivt" värde på a på temperaturen och temperaturområdet. Ändå, på grund av den utbredda användningen av Ta-konceptet, karakteriserar vi temperaturberoendet av den angivna lagen. För analys väljer vi alltid ett temperaturområde på 0,4 - 4,5 K.

Ris. 2.6 visar att vid gmin = 3 - r - 6 nm är den beräknade temperaturkurvan nära beroendet a = 1,1. De erhållna resultaten låter oss dra slutsatsen att förekomsten av en minsta interaktionsradie som inte är noll mellan kromoforen och TLS faktiskt kan vara orsaken till att a-värdena som upptäckts i PE-experimentet är mindre än de som beräknats inom ramen för Geva och Skinner-teorin. Resultaten visar också att den effektiva lutningen för det beräknade temperaturberoendet minskar med ökande gmin och kanske till och med 1.

Mjukpotentialmodellen (MP) (se till exempel och recension) introducerades för att utöka kapaciteten hos TLS-modellen, både i det temperaturområde där den kan tillämpas och i antalet lågfrekventa energiexcitationer. Enligt denna modell finns det i amorfa medier vid låga och mellanliggande temperaturer, förutom långvågiga akustiska fononer, kvasilokala lågenergiexcitationer av tre typer. Dessa är tunnlande TLS, som är ansvariga för glasögonens universella egenskaper vid temperaturer under några grader Kelvin, samt resonantsystem (PC) och harmoniska oscillatorer (HO), som bestämmer egenskaperna hos glasögon vid högre temperaturer. Alla tre typerna av excitationer har ett gemensamt ursprung - de realiseras i mjuka atomära potentialer (TLS och PC i dubbelbrunn, GO - i enkelbrunn) - och tolkas som rörelser av grupper av atomer eller molekyler i lokala minima av potentiell yta. Potentialerna som TLS, PC och GO realiseras i är "mjuka" i den meningen att yttre påfrestningar lätt omvandlar dem till varandra.

Enligt MP-modellen beskrivs kvasi-lokala lågfrekventa excitationer i amorfa media av Hamiltonian av en anharmonisk oscillator:

Här är M oscillatorns effektiva massa, (x) är den potentiella energin som beskrivs av ett polynom av fjärde graden:) där E0 är energin i storleksordningen av bindningsenergin för atomer (molekyler) som bildar glaset, x är den generaliserade koordinaten, a är den karakteristiska längden, som är av storleksordningen det interatomära avståndet . Värdena för de dimensionslösa parametrarna rj och E är slumpmässiga, vilket beror på mediets strukturella heterogenitet. Modellen antar att fördelningen av dessa parametrar har formen: i detta fall r, « 1. Funktionen Po(r\) brukar betraktas som en konstant. Den karakteristiska skalan för den dimensionslösa storheten r/, som bestämmer höjden på barriären mellan brunnar i potentialen (2.36), beskrivs av den lilla parametern i teorin rjL = \h2/2ma2E0) «10 2, där m är medelmassan av atomerna som bildar glaset. Energiskalan bestäms av värdet W, som kännetecknar spektrumet av nivåer i potentialen (2,36) vid r/ = E, = 0: W = E0r/L = kWTc, där /VB är Boltzmann-konstanten, och Tc är den karakteristiska temperaturen, som för olika ämnen ligger inom 2-PO K.

Potentialens form (2.36) bestäms av de relativa värdena för parametrarna r/ och E. Det kan vara antingen dubbelgrop eller enkelgrop. Om asymmetrin hos dubbelbrunnspotentialen är betydligt mindre än avståndet mellan nivåerna i en brunn, bildar de två lägre nivåerna i potentialen (2.36) en tunnlande TLS (Fig. 2.7a) med avståndet mellan nivåerna

Som följer av de presenterade data är koncepten för tunneldrivning av TLS i MP-modellen och i standard-TLS-modellen mycket nära varandra. Så till exempel skiljer sig fördelningen (2.40) endast med en logaritmisk faktor från den motsvarande fördelningsfunktionen (2.6) som används i standardmodellen, som i variablerna E ir kan skrivas som:

I de fall då asymmetrin hos dubbelbrunnspotentialen visar sig vara mycket större än avståndet mellan nivåerna i en brunn (Fig. 2.76), kommer det huvudsakliga bidraget till de kinetiska fenomenen att göras av övergångar mellan brunnar ovanför barriären genom termisk aktivering. I MF-modellen klassificeras dessa excitationer som resonantsystem. Fördelningen av PC över asymmetri (som i detta fall, enligt (2.38), sammanfaller med energi) och barriärhöjder har formen

Relaxationshastigheten PC bestäms av uttrycket: där Ko är en parameter med ett värde i storleksordningen 10 - 10 s". E, som lätt kan ses, är potentialen (2,36) enbrunn och endast vibrationslägen kan exciteras i den, som i MF-modellen kallas harmoniska oscillatorer (Fig. 2.7c) Dessutom, om r/»r/L, så är anharmoniciteten ganska liten, och vibrationerna är praktiskt taget harmoniska med avståndet mellan nivåerna E = 2W\]J]IJ]L och densiteten för tillstånden n(E) dess E Vid energier över Eb = 2,2WI A1 6, där A = 0,\69(W/kBTg), och Tg är glasövergången temperatur börjar interaktionen mellan GOs spela en betydande roll Kvasilokala excitationer i detta fall kan inte längre betraktas som oberoende Nya delokaliserade harmoniska moder kännetecknas av tätheten av tillstånden n(E) E. Omarrangemanget av densiteten av GO:s tillstånd som ett resultat av deras interaktion är, enligt MP-modellen, orsaken till uppkomsten av en bosonisk topp i Raman-spektra av ljus vid frekvenserna a = a b = Eb1%.

Fotoneko experimentell teknik och mätteknik

Experimentella implementeringar av NPE- och 2PE-metoderna som utförts i detta arbete beskrevs i publikationer. Detta arbete ger endast en kort beskrivning av de grundläggande diagrammen över de utvecklade installationerna och lasersystemen, ger deras huvudparametrar och förklarar de viktigaste fördelarna.

Elementära uppskattningar visar att för att öka temperaturintervallet för mätningar med NFE-metoden mot höga temperaturer (upp till tiotals grader Kelvin), måste tidsupplösningen vara minst tiotals femtosekunder. Detta uppnåddes genom utvecklingen av en speciell bredbandslaser (brus) vars kretsschema

Detta är en färglaser med transversell laserpumpning, byggd enligt en kavitetslös design. Emissionsspektrumet för en sådan laser bestäms av luminescensspektrumet för färgämnet som används och har ingen modstruktur. Som ett speciellt test visade förändrades formen på spektrumet hos den utvecklade lasern lite från puls till puls, vilket var mycket betydelsefullt för de experiment som genomfördes. För att pumpa färgen (en alkohollösning av rhodamine-6G) användes den andra övertonsstrålningen från en hemmagjord NcT:YAG-laser i fast tillstånd som arbetar i Q-switch-läge och genererar nanosekundpulser. Denna laser bestod av en enkel transversell oscillator, två förstärkare och en frekvensdubblare på en DCDA-kristall. Strålningsenergin för den andra övertonspulsen nådde 80 mJ. Den andra harmoniska strålningen fokuserades med hjälp av en cylindrisk lins på en cell med ett färgämne i form av en tunn remsa. Varaktigheten för pumplaserutsändning var 12 ns, och varaktigheten för bredbandslaserutsändning var något längre (15 ns). Bredden på genereringsspektrumet för den luminescerande lasern kunde justeras och var vanligtvis 100 - 200 cm", den utgående strålningsenergin per puls nådde 1 mJ.

Detta system användes i en två-puls picosecond PV-installation; dess diagram visas i fig. 4.2. Den designades kring en kommersiell modelåst argonlaser (Coherent, Innova 200-10), som användes för att synkront pumpa en färgämneslaser (Coherent 702-1 CD). Pumpens laserutgångspuls varaktighet var -150 ps.

Utgångspulserna från färgämneslasern förstärktes i en hemmagjord tvåstegsförstärkare, som bestod av två celler med färgämne pumpad av den andra övertonen av strålning från en industriell nanosekundssolid-state laser (Spectrum SL404G). En alkohollösning av rhodamine-6G användes som färgämne. Spontan emission vid utgången av förstärkaren eliminerades med användning av en speciell absorbator (dietylox-dikarbocyaninjodid). Utsignalen från systemet producerade koherenta ljuspulser, praktiskt taget utan stöd, med en varaktighet på högst 6 ps, med en energi per puls på upp till 1 mJ.

De schematiska diagrammen för båda installationerna för mätning av PV-signaler är ungefär desamma och visas därför i samma figur (Fig. 4.3), och deras huvudsakliga egenskaper är sammanfattade i Tabell. 4.1.

I fallet med NPE visar sig tidsupplösningen som uppnås med den skapade installationen vara något högre än standarduppskattningen för denna upplösning, baserat på den omvända bredden av färgämnesemissionsspektrumet. Den skenbara motsägelsen med uppskattningar gjorda på basis av allmänt accepterade metoder kan förklaras ganska enkelt. Detta beror på det faktum att realtidsupplösningen för NFE-metoden inte bestäms av bredden på ljuskällans autokorrelationsfunktion, vilket görs för förenkling i många arbeten med grova uppskattningar av metodens tidsupplösning, men genom den minimalt detekterbara förändringen i avklingningskurvan när värdet på ljusfördröjningen ändras. Vid ett tillräckligt högt signal/brusförhållande kan detta värde vara mindre än bredden på autokorrelationsfunktionen.

I vår installation använde vi den teknik som föreslagits i arbetet med A.W. Wainer och E.R. Grep (Novel transient scattering-teknik för femtosekundsavfasningsmätningar, Optics Letters, vol. 9, sid. 53, 1983). Denna teknik handlar om samtidig registrering av två ekosignaler - signalerna för "vänster" och "höger" PV, som visas i Fig. 4.4(a).

Dessutom ökar noggrannheten för att mäta det nämnda förhållandet i vår uppsättning på grund av att medelvärde över ett stort antal "elementära" FEs. Som ett speciellt test visade nådde den maximala tidsupplösningen för den skapade installationen ett värde på 25-30 fs, med bredden på autokorrelationsfunktionen 200-300 fs. För att illustrera detta visar figur 4.4(6) ett exempel på samtidig inspelning av NPE-signaler för vänster och höger eko, utförd vid rumstemperatur i en lösning av rhodamine 110 i PMMA. Avståndet mellan maxima, lika med 140 fs, bestäms av mängden optisk avfasning i detta system och, som framgår av figuren, är det ganska enkelt att mäta, trots att det är mindre än bredden på autokorrelationsfunktion för bruslasern.

Den så kallade effektiva karakteristiska mättiden (d.v.s. medeltiden över alla elementära PV) var i storleksordningen några nanosekunder. Som kommer att visas senare gjorde närvaron av två tidsparametrar: tidsupplösning och effektiv karakteristisk mättid det möjligt att erhålla information inte bara om tiden för optisk avfasning i de studerade systemen, utan också att observera bidraget till linjebreddning som orsakas genom spektrala diffusionsprocesser i dessa system över tider i storleksordningen flera nanosekunder.

Analys av bidraget till optisk avfasning på grund av interaktion med lågfrekventa partiklar.

I fig. Figur 4.11 visar absorptionsspektrum för TBT-systemet i PIB, uppmätt vid rumstemperatur. Detta system kännetecknas av ett högt signal-brusförhållande och smala linjer vid inspelning av OM-spektra, vilket var mycket viktigt ur experimentell synvinkel. När det gäller inflytandet av valet av det studerade systemet för att belysa fysiken för de fenomen som studeras, så, som redan antytts, enligt moderna begrepp, bekräftade av många experiment, är huvuddragen hos dynamiska processer i ett oordnat fast tillstånd medium bestäms exakt av förekomsten av inre störningar i detta medium och beror lite på dess specifika struktur. När vi valde ett system för våra studier utgick vi därför i första hand från överväganden om experimentell bekvämlighet och fördelar.

Provberedningsproceduren var som följer. TBT (samma material användes som i fotonekoexperimenten som utfördes i detta arbete) löstes i toluen (reagenskvalitet, Aldrich) och hölls för fullständig upplösning i minst ett dygn. Därefter sattes den resulterande lösningen till en tidigare framställd lösning av PIB (Aldrich, molekylvikt 4,2x10) i samma toluen. Efter detta, genom att tillsätta en liten mängd av en lösning av TBT i toluen till PIB löst i toluen, erhölls en lösning av TBT i PIB och toluen. Koncentrationen av TVT i denna lösning valdes på ett sådant sätt att efter fullständig avdunstning av toluen var den inom 10 "-1(GM. Sedan bereddes ett prov och en testmätning utfördes. Baserat på resultaten av sådana tester, koncentrationen av TVT i PIB bringades till en nivå där 3-5 molekyler i synfältet träffade den mottagande linsen. En noggrann bedömning av den slutliga koncentrationen av TBT-molekyler i PIB har inte gjorts.

OM-spektrans multipla karaktär i lågtemperaturglas och förändringar i deras parametrar över tiden leder till ett antal grundläggande frågor vid mätning av sådana spektra. Hur registrerar man dessa spektra för att inte förlora informationen de innehåller om miljöns dynamik? Hur presenterar man resultaten av att mäta tidsvarierande OM-spektra?

I detta arbete, liksom i de allra flesta arbeten om OM, mättes OM-spektra genom att detektera fluorescensexcitationsspektra för molekylerna som studerades. Typiskt, i SOM-experiment, mäts sådana spektra genom att långsamt ställa in laserfrekvensen en gång i området som studeras. En relativt lång mättid (tiotals sekunder eller mer) väljs för att uppnå ett acceptabelt signal-brusförhållande. Sådan registrering kan leda till en betydande förlust av information om tidsmässiga förändringar i det detekterade spektrumet och svårigheter vid försök att tolka sådana spektra. Dessutom, som kommer att visas nedan, kan denna metod för att registrera spektra också leda till "avsmalning" av de uppmätta linjerna.

I detta arbete registrerades tidsvarierande OM-spektra genom snabb, multipel skanning av laserfrekvensen i en utvald region av spektrumet. Detta gjorde det möjligt att observera tidsmässiga förändringar i de studerade spektra. För att samtidigt visa en stor uppsättning sådana spektra, vars antal i varje dimension nådde hundratals och tusentals, användes deras representation i form av en tvådimensionell bild (en sådan representation av ett stort antal spektra kallas vanligtvis 2D- ploi). Visualisering av upprepade OM-spektra med 2D-plot implementerades först i W.P. Ambrose och W.E. Moerner ("Fluorescensspektroskopi och spektral diffusion av enstaka föroreningsmolekyler i en kristall" II Nature, Vol. 349, P. 225 1991). och kallas metoden för att registrera spektrala banor eller spektrala spår. Principen för att konstruera en 2D-plot förklaras i fig. 4.12. Den horisontella axeln på 2D-plotten motsvarar laserfrekvensen (eller tiden från början av nästa skanning), och den vertikala axeln motsvarar spektrumets serienummer (och följaktligen tiden som har gått sedan start av spektrumskanningsproceduren). Intensiteten av mättnaden för varje punkt i en sådan bild med svart färg (eller färgomfånget i fallet med en färgbild) motsvarar intensiteten hos det registrerade, vilket är proportionellt mot storleken på fluorescenssignalen vid en given laserskanningsfrekvens (vid en given tidpunkt). För större tydlighet visar den presenterade figuren en tredimensionell metod för att representera ett stort antal spektra uppmätta kontinuerligt i ett valt frekvensområde, vilket också används i liknande fall (den så kallade 3D-plotten).

Dynamik hos oordnade molekylära fasta medier: studier med fotoneko och enmolekylspektroskopi

-- [ Sida 1 ] --

1RYSKA VETENSKAPSAKADEMIEN

Institutet för spektroskopi

Som ett manuskript

Vainer Yuri Grigorievich

DYNAMIK HOS ORDNADE MOLEKYLÄRA FASTSTÄNDSMEDIER:

STUDIER SOM ANVÄNDER FOTONEKO OCH SPEKTROSKOPIMETODER

ENKLA MOLEKYLER

Specialitet 01.04.05 – Optik

AVHANDLING

för doktorsexamen i fysikaliska och matematiska vetenskaper

Troitsk, Moskva-regionen. - 2005 -2 INNEHÅLL INTRODUKTION

KAPITEL I. LÅG TEMPERATURDYNAMIK

STUDIER

KAPITEL II. TEORETISK RAM FÖR BESKRIVNING AV PROCESSER

FÖRORENHET FASTTILLSTÅND SYSTEM MED

LÅGA TEMPERATURER

2.1. Standardmodell av tvånivåsystem

2.1.1. Grundläggande bestämmelser modeller

2.1.2. Parametrar för tvånivåsystem

2.1.3. Lagar för distribution av DOS enligt interna parametrar

2.2. Stokastisk slumpmässig hoppmodell

2.2.1. Grundprinciper för den stokastiska modellen av okorrelerade slumpmässiga hopp

2.2.2. Interaktion mellan ett föroreningscentrum och en TLS

2.2.3. Rumsliga och orienteringsfördelningar av DLS

2.3. Modifierad teori för FE i lågtemperaturföroreningsglas

2.3.1. Grundprinciper för den modifierade modellen av PV i lågtemperaturglas

2.3.2. Fallet med ett två-puls fotoneko

2.3.3. Jämförelse med standard fotoneko teori

2.3.4. Resultat av den modifierade fotonekoteorin och deras diskussion: sönderfallskurvors beroende av det minsta avståndet mellan kromoforen och tvånivåsystem

2.4. Modell av mjuka potentialer och dess tillämpning för att beskriva optisk avfasning i amorfa föroreningssystem

2.4.1. Grundläggande principer för modellen med mjuk potential

2.4.2. Grundläggande relationer som beskriver optisk avfasning i den mjuka potentialmodellen

2.5. Viktiga resultat från kapitel II

KAPITEL III. PHOTON ECHO METOD OCH DESS FABILITETER MED

FORSKNING AV SPEKTRALPROCESSER

DYNAMIK I FAST TILLSTÅND FÖR ORENHET

OORDNADE MILJÖER

3.1. Fotoneko

3.1.1. Generella principer

3.1.2. Emission från en sammanhängande ensemble av kromoformolekyler.

3.1.3. Bloch-Feynman vektormodell.

3.1.4. Huvudidén med FE-metoden

3.2. Två- och trepulsfotoneko

3.3. Ackumulerat fotoneko

3.4. Osammanhängande fotoneko

3.5. Slutsatser om kapitel III

-3KAPITEL IV. EXPERIMENTELL GRUNDLÄGGANDE SPEKTROSKOPIN

IMURITY CENTER MED ELIMINERING

TID OCH ENSEMBLE GENOMsnitt

4.1. Fotoneko och dess tillämpning för att studera dynamiken hos oordnade fasta ämnen

4.1.1. Dubbelpuls fotoneko

4.1.2. Tre-puls fotoneko

4.1.3. Osammanhängande fotoneko

4.2. Experimentell fotonekoteknik och mätteknik........ 4.2.1. Lasersystem för att generera inkoherenta PV-signaler

4.2.2. Lasersystem för generering av pikosekundpulser

4.2.3. Fotoneko experimentella inställningar

4.2.4. Mätteknik

4.2.5. Provberedningsprocedur

4.3. Enkelmolekylspektroskopi experimentella tekniker och mättekniker

4.3.1. Tillämpning av singelmolekylspektroskopi för att studera dynamiken hos oordnade fasta ämnen

4.3.2. Registrering av spektra av enstaka molekyler i glas vid låga temperaturer

4.3.3. Experimentell uppställning för inspelning av spektra av enstaka molekyler

4.3.4. Provberedningsprocedur

4.3.5. Egenskaper med att registrera spektra av enstaka molekyler i föroreningsglas

4.4. Kapitel 4 Slutsatser

KAPITEL V. FORSKNING AV OPTISK AVFASNING IN

ORENHET EKOLOGISKA GLAS OCH

POLYMERER EFTER FOTON EKOTOD I

BREDT UTVAL AV LÅGA TEMPERATURER

5.1. Jämförelse av data erhållna med NFE-metoden med data erhållna med 2FE-metoden

5.2. Analys av NPE-data för resorufin i d- och d6etanol

5.2.1. Analys av bidraget från spektral diffusion

5.2.2. Analys av bidraget till optisk avfasning på grund av interaktion med LFM

5.2.3. Deuterationseffekt

5.2.4. Slutsatser från dataanalys för p/d-e och p/d6-e

5.3. Forskning med NPE- och 2PE-metoder

5.3.1. Allmän översikt över experimentella resultat erhållna med NPE- och 2PE-metoder för sex oordnade föroreningssystem

5.3.2. Dataanalys för låga temperaturer

5.3.3. Modellberäkningar av temperaturberoendet inom ramen för den modifierade teorin om FE i lågtemperaturglas............................... ... 5.3.4. Analys av data för mellantemperaturområdet

5.4. Analys av högtemperaturdata med beaktande av spektrumet av lågfrekventa partiklar................... 5.5. Dataanalys med hjälp av mjukpotentialmodellen................. vid analys av data inom ramen för MP-modellen

5.5.2. Resultat av modellberäkningar och deras jämförelse med experiment........... 5.6. Slutsatser om kapitel V

KAPITEL VI. UNDERSÖKNINGAR AV FÖRORENSDYNAMIK

METOD FÖR ORGANISKA POLYMERER

SPEKTROSKOPI AV ENKELMOLEKYLER

6.1. Beskrivning av spektra av enstaka molekyler med hjälp av konceptet momentfördelningar

6.2. Resultat av mätningar av spektra för enstaka TBT-molekyler i amorf polyisobutylen vid T = 2 K

6.2.1. Exempel på OM-spektra och deras tidsutveckling

6.2.2. Temporalt beteende hos spektra av enstaka molekyler, i överensstämmelse med TLS-modellen

6.3. Modellberäkningar av spektra av enstaka molekyler

6.3.1. Algoritm för att beräkna spektrumet av en enskild molekyl

6.3.2. Val av modellparametrar

6.3.3. Bidrag av nära och fjärran TLS till OM-spektrumet

6.4. Begreppet moment och egenskaper hos metodiken för att jämföra experimentella och teoretiska resultat

6.5. Jämförelse av resultat från modellberäkningar och experimentella data om fördelningen av moment och linjebredder för OM-spektra....... 6.5.1. Analys av fördelningen av moment för OM-spektrallinjer

6.5.2. Dispersion av TLS-kromoforinteraktionskonstanten och det minsta avståndet mellan föroreningscentrum och TLS

6.6. Spektra av enstaka molekyler i lågtemperaturglas och avgiftsstatistik

6.7. Fördelningar av spektrala toppbredder och bidraget från kvasi-lokala lågfrekventa vibrationslägen till breddningen av OM-spektra

6.8. Statistisk analys av multiplettstrukturen av spektra av enstaka molekyler

6.9. Karakteristiska rumsliga zoner för interaktion av tvånivåsystem med en enda molekyl

6.10. Jämförelse av data erhållna genom enkelmolekylspektroskopi och fotoneko

6.11. Slutsatser om kapitel VI

SLUTSATS

LISTA FIGURER OCH TABELLER

LISTA ÖVER FORMLER

LISTA ÖVER ANVÄNDA REFERENSER

TACK

Anteckning. Ett nytt tillvägagångssätt för studiet av oordnade molekylära medier i fast tillstånd har utvecklats och systematiska experimentella och teoretiska studier av dynamiken hos amorfa organiska glas och polymerer har utförts i ett brett område av låga temperaturer (0,35 – 100 K).

Det utvecklade tillvägagångssättet är baserat på att erhålla information om dynamiken hos mediet som studeras från spektra av föroreningskromoformolekyler som introduceras i provet som studeras som en spektral mikroskopisk sond, och är baserad på följande två experimentella principer: 1) användningen av fotonekometoden för att mäta tiderna för optisk avfasning av föroreningskromoformolekyler i en oordnad matris för att eliminera tidsgenomsnitt under experimentet. 2) detektion av ett stort antal spektra av föroreningsenkelkromoformolekyler och efterföljande statistisk analys av de uppmätta spektra. Det utvecklade tillvägagångssättet gör det möjligt att erhålla data som återspeglar de allmänna egenskaperna hos miljön som studeras, snarare än slumpmässiga parametrar i den lokala miljön, och samtidigt behålla information om miljöns mikroskopiska parametrar. Dess användning gör det möjligt att erhålla information om dynamiska fenomen i molekylära medier, oförvrängd av medelvärde, och därmed eliminera huvudsvårigheten med befintliga mätmetoder för att diagnostisera störda medier. Systematiska studier av processerna för spektral diffusion och optisk avfasning i amorfa organiska glas och polymerer har utförts med hjälp av ett utvecklat experimentellt tillvägagångssätt och en förbättrad teoretisk modell av spektraldynamiken hos lågtemperaturglas. Ny information har erhållits om den spektrala dynamiken hos amorfa organiska medier i ett brett spektrum av låga temperaturer, vilket avsevärt utökar nivån av förståelse för detta fenomen.

RelevansÄmnen. För närvarande används material och polymerer i fast tillstånd i allt högre grad i vardagslivet, teknik och vetenskaplig forskning, inklusive sådana lovande material som konjugerade polymerer, dendrimerer, ett brett utbud av organiska glas, amorfa halvledare och strukturer baserade på dem, etc. Oordnade organiska medier inkluderar också flertalet nanoobjekt och nanostrukturer av organisk natur, vilka intresset har ökat kraftigt på senare tid, eftersom de är ett av huvudelementen i snabbt utvecklande nanoteknik i vår tid. De nämnda systemen inkluderar en mängd olika biologiska miljöer och strukturer, vars studier och användning är ett av de viktiga områdena inom modern vetenskap och teknik. Oordnade organiska medier är lovande föremål för att skapa nya material och enheter med ovanliga egenskaper. Till exempel pågår för närvarande en intensiv utveckling inom området molekylär mikroelektronik baserad på organiska material. Bred tillämpning i praktiken och behovet av att skapa nya material och strukturer baserade på oordnade organiska ämnen gör det relevant att fördjupa sig i deras grundläggande egenskaper. De flesta av dessa egenskaper, såsom termiska, mekaniska, elektriska, kemiska, optiska, spektrala, etc., bestäms av materiens inre dynamik. Därför är studier av dynamiska processer i oordnade molekylära medier mycket relevanta och viktiga både för utvecklingen av vetenskapen om molekylära fasta medier och för utvecklingen av nya teknologier baserade på utveckling och användning av organiska ämnen med en komplex struktur.

De huvudsakliga målen för avhandlingsarbetet. Fram till nyligen var huvudforskningen inom området för dynamik hos fasta medier inriktad på att studera högordnade kristallina ämnen. Som ett resultat av dessa studier är den mikroskopiska naturen hos de grundläggande elementära excitationerna i kristaller nu allmänt känd. En helt annan situation uppstår när man förstår grunderna för dynamiken hos oordnade fasta (särskilt organiska) medier. Även om det är betydande är detta område öppet. Till exempel är ett av de allvarligaste problemen med att beskriva egenskaperna hos oordnade medier bristen på information om den mikroskopiska karaktären hos elementära lågfrekventa excitationer i dessa medier. Teorin om dynamiska fenomen i oordnade molekylära medier har ännu inte utvecklats, vilket gör det möjligt att beskriva hela uppsättningen av tillgängliga experimentella resultat. Befintliga modeller har ett begränsat tillämpningsområde och är i de flesta fall rent fenomenologiska till sin natur. En av huvudorsakerna till denna omständighet är den låga lämpligheten hos traditionella experimentella metoder för att få information om egenskaperna hos oordnade fasta medier. Detta förklaras av den betydande spridningen av de lokala parametrarna för sådana medier, som ett resultat av vilka traditionella metoder endast ger högt genomsnittliga data om ämnet som studeras, vilket leder till betydande snedvridningar och förluster av information. Dessutom utvecklades de flesta av de befintliga teoretiska tillvägagångssätten för att beskriva dynamiken hos media i fast tillstånd huvudsakligen för att studera kristaller, och dessa tillvägagångssätt är till liten nytta för att beskriva oordnade medier där det inte finns någon symmetri och ordning i arrangemanget av molekyler. Därför, för att uppnå betydande framsteg i vår förståelse av de grundläggande dynamiska fenomenen i oordnade organiska medier, var det nödvändigt att utveckla fundamentalt nya metoder för experimentell studie av dynamiska fenomen i dessa medier, vilket skulle avsevärt öka mängden information som erhålls och eliminera dess snedvridningar. Det var också nödvändigt att utveckla nya angreppssätt i den teoretiska beskrivningen av dynamiken hos oordnade fasta medier.

Karaktären av dynamiska processer i oordnade medier beror avsevärt på temperaturen. Enligt tillgängliga experimentella data och föreslagna modeller vid T

I sådana fall är det inte längre möjligt att beskriva dynamiken i oordnade fasta tillståndssystem på språket för elementära energiexcitationer.

I början av detta arbete hade ett stort antal studier utförts på lågtemperaturdynamiken hos oordnade medier av både oorganisk och organisk natur. Huvuddelen av forskningen ägnades åt att studera parametrarna och karaktären hos tunneldrivning av tvånivåsystem vid T

De genomförda studierna har visat att parametrarna som beskriver dynamiska processer i organiska medier kan skilja sig markant från motsvarande parametrar för oorganiska medier. Med hänsyn till behovet av att utöka vår kunskap om dynamiken hos komplexa oordnade fasta system och vikten av att studera egenskaperna hos organiska ämnen, beslutades det att ägna detta arbete åt att studera dynamiken hos organiska oordnade ämnen (glas, polymerer). Huvudinsatserna var inriktade på att studera karaktären och parametrarna för föga studerade lågfrekventa kvasilokala vibrationslägen i dessa ämnen. För att erhålla information om den interna dynamiken hos mediet som studeras användes metoden för spektroskopi av föroreningscentra. I det här fallet var dessa kromoformolekyler som absorberar ljus i ett utvalt spektralområde och introducerades i det studerade mediet, som är transparent i detta intervall, som spektralsonder. Effektiviteten av denna metod, som är välkänt, förklaras av det faktum att de optiska spektra av föroreningsmolekyler är extremt känsliga för parametrarna i deras miljö och innehåller information om mediets lokala dynamik.

För att studera den ultrasnabba dynamiken som är inneboende i kvasi-lokala vibrationslägen och snabba övergångar i tvånivåsystem, var det först och främst nödvändigt att eliminera tidsgenomsnitt vid mätning av de optiska spektra av föroreningsmolekyler och att avsevärt utöka temperaturområdet för mätningar. Dessutom var det nödvändigt att eliminera medelvärdesbildning över en ensemble av föroreningsmolekyler. Därför valdes fotonekometoden och enkelmolekylspektroskopimetoden som arbetsmetoder. Dessa metoder har dock använts lite för att studera dynamiken hos oordnade organiska medier och kräver betydande förbättringar.

Ovanstående förklarar valet av huvudmålen för avhandlingen, som kan formuleras enligt följande:

1. Utveckling och förbättring av metoder för experimentell studie av dynamiska processer i oordnade fasta medier, vilket tillåter: a) att utesluta ensemble- och tidsgenomsnitt av de erhållna data som är inneboende i traditionella metoder, b) att avsevärt utöka forskningens temperaturområde.

2. Genomföra systematiska experimentella studier av dynamiska fenomen i speciellt utvalda orenheter störda organiska fasta tillståndssystem i ett brett område av låga temperaturer (T

För att göra detta var det nödvändigt att utveckla följande experimentella metoder och teoretiska modeller:

Att utveckla en fotoneko-metod för att mäta optiska avfasningstider i orenheter i organiska oordnade system, för att eliminera tidsgenomsnitt under mätningar och avsevärt öka tidsupplösningen för metoden, för att avsevärt utöka temperaturområdet för mätningar.

Att utveckla en enkelmolekylär spektroskopimetod för att studera dynamiken hos oordnade organiska medier i fast tillstånd så att det blir möjligt att få allmän information om egenskaperna hos de processer som studeras, som finns i de individuella spektra av föroreningskromoformolekyler.

För att förbättra den befintliga modellen för optisk avfasning i föroreningsglas för att utöka tillämpningsområdet.

Vetenskaplig nyhet. Alla resultat som erhållits i arbetet är nya, och de utvecklade metoderna och tillvägagångssätten är originella.

Huvudresultat Arbetet presenteras i avslutningen.

Författarens bidrag. Huvudforskningen utfördes vid Institutet för spektroskopi vid den ryska vetenskapsakademin med metoder utvecklade av författaren, på en experimentell uppsättning skapad under hans ledning och med hans direkta deltagande.

En del av experimenten, som inkluderar experiment på dubbelpulsfotoneko vid temperaturer under 4 K och experiment med enkelmolekylspektroskopi, utfördes vid University of Bayreuth (Tyskland) på initiativ av författaren och med deltagande av tyska kollegor. I det här fallet utfördes inställningen av uppgifter personligen av författaren, och analysen av de erhållna resultaten utfördes av honom eller under hans ledning.

Formuleringen av alla problem, med undantag för den jämförande studien av två föroreningssystem: terrylen i polyeten och tetra-tert-butylterrylen i polyisobutylen, med hjälp av metoderna för fotoneko och enkelmolekylspektroskopi, föreslagna av R.I. Personov, utfördes av författaren.

Alla experiment, tolkning, bearbetning och teoretisk analys av resultaten utfördes antingen av författaren självständigt eller under hans ledning och med aktivt deltagande.

I olika skeden av arbetet deltog anställda vid Laboratory of Electronic Spectra of Molecules vid Institutet för spektroskopi vid den ryska vetenskapsakademin, professor R.I., i forskningen. Personov, juniorforskare N.V. Gruzdev, Ph.D.

M.A. Kolchenko, Ph.D. A.V. Naumov, student vid institutionen för kvantoptik, MIPT A.V. Deev, professorerna D. Haarer och L. Kador och doktoranderna S. J. Zilker och M. Bauer från University of Bayreuth (Tyskland), samt Dr. Eli Barkai (E. Barkai) från Massachusetts Institute of Technology (USA). Författaren uttrycker uppriktig tacksamhet till dem alla.

Praktisk betydelse arbete.

En teknik har utvecklats och en experimentell uppställning har byggts för att diagnostisera ultrasnabba processer av spektrallinjebreddning i föroreningar i fasta tillståndssystem i ett brett temperaturområde med hjälp av metoden med inkoherent fotoneko. Tekniken är baserad på användningen av en bredbandslaser som en brusljuskälla och kräver inte användning av komplexa och dyra femtosekundlasrar. Den utvecklade tekniken gör det möjligt att mäta optiska avfasningstider med nära den maximala tidsupplösningen (upp till 25-30 fs) i ett brett spektrum av organiska föroreningsämnen och få information om processerna för spektral diffusion i nanosekunders tidsintervall.

En teknik har föreslagits för att identifiera den komplexa multiplettstrukturen för spektra av enstaka molekyler i amorfa media och bestämma deras tillhörighet till olika molekyler genom att detektera och analysera tidshistoriken för sådana spektra. Den utvecklade tekniken utökar avsevärt kapaciteten hos enmolekylspektroskopi när man studerar spektraldynamiken hos amorfa föroreningssystem vid låga temperaturer.

En teknik föreslås för den kvantitativa beskrivningen av den komplexa formen av spektra av enskilda molekyler i föroreningsmolekylära system och deras statistiska analys baserad på begreppet moment och kumulanter. Tekniken gör det möjligt att erhålla information om de generella dynamiska egenskaperna hos det studerade systemet, som finns i den individuella strukturen av sådana spektra, och samtidigt, under deras analys, behålla information om parametrarna i den omedelbara miljön. av föroreningsmolekyler.

Grundläggande vetenskapliga principer lämnat in till försvar:

En ny vetenskaplig riktning är spektroskopi av dynamiska processer i oordnade molekylära fasta system med eliminering av tidsgenomsnitt och medelvärdesberäkning över en ensemble av föroreningsmolekyler.

Metodik för att studera processerna för optisk avfasning och spektral diffusion i organiska föroreningsglas och polymerer i ett brett område av låga temperaturer.

Ett nytt tillvägagångssätt för att studera dynamiken hos oordnade molekylära fasta tillståndssystem, baserat på registrering av spektra för ett stort antal enkla kromoformolekyler och deras efterföljande analys.

Separation av bidragen från två olika mekanismer till bildandet av spektra av kromoformolekyler i amorfa medier vid låga temperaturer: bidraget från tunnling av tvånivåsystem och bidraget från lågfrekventa kvasi-lokala vibrationslägen i en oordnad matris.

Ny mikroskopisk information om den spektrala dynamiken hos de studerade amorfa föroreningssystemen, oförvrängd av ensemblemedelvärde och återspeglar de allmänna egenskaperna hos systemen som studeras.

Erhålla ny information om fördelningarna av frekvensförskjutningar, generaliserad bredd, asymmetri och "spikeiness" av spektra av enstaka föroreningsmolekyler i en amorf föroreningspolymermatris vid låga temperaturer genom att analysera spektra med hjälp av fördelningarnas moment.

Detektion av nanosekund spektral diffusion i en amorf glasmatris och bestämning av dess temperaturberoende.

Experimentell bekräftelse av tillämpbarheten av mjukpotentialmodellen för att beskriva processerna för breddning av en homogen noll-fononlinje Detektion och studie av deuterationseffekter i C2H5-gruppen av fryst etanol.

Experimentell bedömning av minimiavståndet mellan tvånivåsystem och kromoformolekyler i amorfa föroreningspolymerer från data om fotoneko och spektroskopi av enstaka molekyler vid låga temperaturer.

Uppskattning av det effektiva bidraget av lågfrekventa kvasilokala vibrationslägen till den totala linjebredden i spektra av enkla kromoformolekyler i en amorf polymer vid flera låga temperaturer.

Detektering av dispersion av optiska avfasningstider i ett antal oordnade föroreningssystem vid låga temperaturer.

Experimentell bekräftelse av tillämpligheten av Levy-statistik för att beskriva fördelningarna av de första och andra kumulanterna av lågtemperaturspektra av enstaka föroreningsmolekyler i en amorf polymermatris.

Godkännande av arbete. Huvudresultaten av arbetet presenterades systematiskt vid allryska och internationella konferenser:

Andra internationella konferensen: "Laser M2P" (Grenoble, Frankrike, 1991); XIV internationella konferens om koherent och icke-linjär optik (Leningrad, Ryssland, 1991); 2:a internationella symposiet "Persistent Spectral Hole Burning: Science and Applications" (Monterey, Kalifornien, USA, 1991); 3:e internationella symposiet "Spectral Hole Burning and Luminescence Line Narrowing: Science and Applications" (Ascona, Schweiz, 1992); 4:e internationella symposiet: "Spectral Hole Burning and Related Spectroscopies: Science and Applications" (Tokyo, Japan, 1994); Österrikiskt-israelisk-tyska symposium: "Dynamiska processer i kondenserade molekylära system" (Baden, Österrike, 1995); 54:e internationella symposiet:

1995); 5:e internationella symposiet: "Hålbränning och relaterade spektroskopier: vetenskap och tillämpningar" (Brainerd, Minnesota, USA, 1996); 8:e internationella konferensen: "Okonventionella fotoaktiva system" (Nara, Japan, 1997); 11:e internationella konferensen: "Dynamiska processer i upphetsade tillstånd av fasta ämnen" (Österrike, Mittelberg, 1997); 6:e internationella symposiet: "Hålbränning och relaterade spektroskopier: vetenskap och tillämpningar" (Khortin, Bordeaux, Frankrike, 1999); 7:e internationella symposiet: "Hålbränning och relaterade spektroskopier: vetenskap och tillämpningar" (Taipei, Taiwan, 2001); XXII Allryska kongressen om spektroskopi (Zvenigorod, Moskvaregionen, Ryssland, 2001); IX internationella konferens om kvantoptik (Minsk, Vitryssland, 2002); Internationell konferens: "Luminescens och optisk spektroskopi av kondenserad materia" (Budapest, Ungern, 2002); 8:e internationella symposiet: "Hålbränning och relaterade spektroskopier: vetenskap och tillämpningar" (Bozeman, Montana, USA, 2003); 14:e internationella konferensen: "Dynamiska processer i upphetsade tillstånd av fasta ämnen" (Christchurch, Nya Zeeland, 2003); X-te internationella konferensen om kvantoptik (Minsk, Vitryssland 2004); VIII Tysk-ryskt seminarium: "Punktdefekter i isolatorer och djupnivåcentra i halvledare" (St. Petersburg, Ryssland, 2003); XI:e internationella konferensen: "Phononspridning i kondenserad materia" (S:t Petersburg, Ryssland, 2004); Internationell konferens tillägnad minnet av R.I. Personova (Bayreuth, Tyskland, 2004).

För utvecklingen av enkelmolekylära spektroskopimetoden för att studera lågtemperaturdynamiken hos oordnade fasta medier, tilldelades författaren priset från Presidium för den ryska vetenskapsakademin uppkallad efter akademiker D.S. Rozhdestvensky för enastående prestationer inom optik och spektroskopi för 2003.

Publikationer. Avhandlingsmaterialet återspeglas i 36 artiklar i ledande peer-reviewed inhemska och internationella tidskrifter.

1. N.V. Gruzdev, E.G. Sil"kis, V.D. Titov, Yu.G. Vainer, "Foto-ekostudie av ultrasnabb avfasning i amorfa fasta ämnen vid vid temperatur region med inkoherent ljus” // J. de Phys. IV, Colloque.C7, tillägg till J. de Phys. III, vol. 1, sid. C7-439 - C7-442, 1991.

2. N.V. Gruzdev, E.G. Sil"kis, V.D. Titov och Yu.G. Vainer, "Ultrasnabb avfasning av resorufin i D-etanolglas från 1,7 till 40K studerade genom inkoherent fotoneko” // JOSA B, Vol.9, s.941-945, (1992).

3. N.V. Gruzdev och Yu.G. Vainer, "Nanosekund spektral diffusion och optisk avfasning i organiska glas över en bred temperatur intervall: inkoherent fotonekostudie av resorufin i D- och D6-etanol” // J. Lumin., Vol.56, s.181-196, (1993).

4. Yu.G. Weiner, N.V. Gruzdev, "Dynamik hos organiska amorfa medier vid låga temperaturer: Studier av resorufin i d- och d6-etanol vid 1,7-35 K med den inkoherenta fotonekometoden. I. Experiment. Huvudresultat” // Optik och spektroskopi, volym 76, nr 2, s. 252 - 258 (1994).

5. Yu.G. Weiner, N.V. Gruzdev, "Dynamik hos organiska amorfa medier vid låga temperaturer: Studier av resorufin i d- och d6-etanol vid 1,7-35 K med den inkoherenta fotonekometoden. II. Analys av resultaten” // Optik och spektroskopi, volym 76, nr 2, s. 259-269 (1994).

6. Yu.G. Weiner, R.I. Personov, "Photon echo in amorphous media under conditions of significant dispersion of uniform linewidths of purity centers" // Optics and Spectroscopy, Vol. 79, No. 5, pp. 824 - 832 (1995).

7. Yu.G. Vainer, T.V. Plakhotnik och R.I. Personov, "Defasning och diffusionslinjebredder i spektrumet av dopade amorfa fasta ämnen:

jämförelse av fotoneko och enkelmolekylspektroskopidata för terrylen i polyeten” // Chem. Phys., vol. 209, sid. 101-110, (1996).

8. Yu.G. Vainer, R.I. Personov, S. Zilker och D. Haarer, "Bidrag från de olika linjebreddningsmekanismerna i fotonekon och enstaka molekylspektra i amorfa fasta ämnen” // Mol. Kristus. Liq. Cryst., vol. 291, sid. 51-56, (1996).

9. S.J. Zilker, Yu. G. Vainer, D. Haarer, "Linjebreddningsmekanismer i spektrum av organiska amorfa fasta ämnen: fotonekostudie av terrylen i polyisobutylen vid subkelvintemperaturer” // Chem.

10. S.J. Zilker, D. Haarer, Yu.G. Vainer, R.I. Personov, "Temperaturberoende linjebreddning av kromoforer i amorfa fasta ämnen:

skillnader mellan singelmolekylspektroskopi och fotonekoresultat” // J.

Lumin., v.76/77, sid. 157-160, (1998).

11. S.J. Zilker, D. Haarer, Yu.G. Vainer, A.V. Deev, V.A. Kol'chenko och R.I. Personov, "Snabb avfasning i glasögon inducerad av tunnling stater och lokala transportsätt” // Mol.

Kristus. Liq. Cryst., v.314, sid. 143-148, (1998).

12. S.J. Zilker, J. Friebel, D. Haarer, Yu.G. Vainer, R.I. Personov, "Undersökning av lågtemi ekologiskt amorfa fasta ämnen genom fotoneko, hålbränning och enkelmolekylspektroskopi” // Chem. Phys. Lett., v.289, s. 553–558, (1998).

13. S.J. Zilker, L. Kador, J. Friebel, Yu.G. Vainer, M.A. Kol'chenko, R.I. Personov, "Jämförelse av fotoneko, hålbränning och singel"molekylspektroskopidata om lågtemperaturdynamik hos organiska amorfa fasta ämnen" // J. Chem.

Phys., v.109, nr 16, sid. 6780–6790, (1998).

14. Yu.G. Vainer, M.A. Kol"chenko, A.V. Naumov, R.I. Personov, S.J. Zilker, "Foton ekar i dopade organiska amortösa system över en bred(0,35–100K) temperaturområde” // J. Lumin., v.86, No.3&4, s.265–272 (2000).

15. A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, S.J. Zilker, "Icke-exponentiell två-puls fotoneko-avklingning i amorfa fasta ämnen vid låga temperaturer" // J. Lumin., v.86, No.3&4, s.273–278 (2000).

16. Yu.G. Weiner, M.A. Kolchenko, R.I. Personov, "Modell of soft potentials and uniform width of spectral lines of purity centers in molecular amorphous media" // Journal of Experimental and Theoretical Physics, v. 119, nummer 4, s. 738-748, (2001).

17. A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, S. Zilker, L. Kador, "Fördelningar av moment av enmolekylära spektrallinjer och dynamiken av amorfa fasta ämnen” // Phys. Varv. B, v.63, s.212302(1–4) (2001).

18. A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, L. Kador, "Ögonblick av enmolekylspektra i lågtemperaturglas: Mätningar och modellberäkningar” // J. Chem. Phys., v.116, No.18, s.8132-8138 (2002).

19. Yu.G. Vainer, M.A. Kol"chenko, A.V. Naumov, R.I. Personov, S.J. Zilker, D.

Haarer, "Optisk avfasning i dopade organiska glas över ett brett (0,35-100K) temperaturområde: Fast toluen dopad med Zn-oktaetylporfin" // J. Chem. Phys., 20. A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, "Minimalt avstånd mellan kromofor och tvånivåsystem i amorfa fasta ämnen: effekt på fotoneko och data för en molekylspektroskopi" // J. Lumin., v.98, No.1&4, pp.63–74 (2002).

21. M.A. Kol"chenko, Yu.G. Vainer, R.I. Personov, "Optisk avfasning i polymerer och den mjuka potentialmodellen: Analys av fotoneko i dopad PMMA” // J. Lumin., v.98, No.1&4, s.375–382 (2002).

22. Yu.G. Weiner, M.A. Kolchenko, A.V. Naumov, R.I. Personov, S.J. Zilker, "Optical dephasing in solid toluene activated by zinc octaethylporphine" // Solid State Physics, volym 45, nr. 2, ss. 215-221, (2003).

23. A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, "Modifierad modell av fotonekon i lågtemperaturglas: Effekt av minimalt avstånd mellan tvånivåer system och kromofor“// J. Phys. Chem. B, v.107, sid. 2054-2060, (2003).

24. Yu.G. Weiner, A.V. Naumov, M. Bauer, L. Kador, "Dynamiken hos amorfa polymerer vid låga temperaturer och tidsutveckling av spektra av enstaka föroreningsmolekyler. I. Experiment” // Optik och spektroskopi, volym 94, nr 6, s. 926-935.

25. Yu.G. Weiner, A.V. Naumov, M. Bauer, L. Kador, "Dynamiken hos amorfa polymerer vid låga temperaturer och tidsutveckling av spektra av enstaka föroreningsmolekyler. II. Modellberäkningar och analys av resultat” // Optics and Spectroscopy, Vol. 94, No. 6, pp. 936-948.

26. M. Bauer, L. Kador, A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, "Termisk aktivering av tvånivåsystem i ett polymerglas som studerats med enkelmolekylspektroskopi“ // J. Chem. Phys., v. 119, nr 7, sid. 3836- (2003).

27. E. Barkai, A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, L. Kador, "Lvy statistics for random single-molecule line shapes in a glass" // Phys. Varv.

Lett., v. 91, nr 7, sid. 075502 (1-4) (2003).

28. A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, L. Kador, "Dynamiken hos en dopad polymer vid temperaturer där tvånivåsystemmodellen av glasögon misslyckas: Studie med enkelmolekylspektroskopi” // J. Chem.

Phys. Vol. 119, nr 12, sid. 6296-6301 (2003).

29. E.J. Barkai, Yu.G. Vainer, L. Kador, R.J. Silbey, L "evy distribution av enstaka molekyllinjeformade kumulanter i glas // Abstracts of papers of the american 30. E. Barkai, A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, L. Kador, "Experimentella bevis för Levy-statistik i enkelmolekylspektroskopi i ett lågtemperaturglas: manifestation av långväga interaktioner" // J. Lumin., vol. 107, nr 1-4, sid. 21-31 (2004).

31. Yu.G. Vainer, A.V. Naumov, M. Bauer, L. Kador, "Dynamik för amorfa polymerer i temperaturområdet 2 - 7 K där standarden modell av lågtemperaturglasögon börjar misslyckas: studier med enkelmolekylspektroskopi och jämförelse med fotonekodata” // J. Lumin., vol.

107, nr 1-4, sid. 287-297 (2004).

32. Yu.G. Weiner, "Spectroscopy of single molecules and dynamics of disordered solids" // Advances in Physical Sciences, Vol. 174, No. 6, pp. 679-683 (2004).

33. Yu.G. Vainer, A.V. Naumov, M. Bauer, L. Kador, "kvasilokaliserade lågfrekventa vibrationslägen för oordnade fasta ämnen. I. Studera av fotoneko” // Fysisk. Statistik. Sol. B, v.241, nr 15, s. 3480-3486 (2004).

34. A.V. Naumov, Yu.G. Vainer, M. Bauer, L. Kador, "kvasilokaliserade lågfrekventa vibrationslägen för oordnade fasta ämnen. II.

Studie genom enkelmolekylspektroskopi” // Phys. Statistik. Sol. B, v.241, nr 15, s. 3487-3492 (2004).

35. Yu.G. Weiner, A.V. Naumov, M. Bauer, L. Kador, E. Barkai, "Statistisk analys av spektra av enkla föroreningsmolekyler och dynamiken hos oordnade fasta ämnen. I. Distributions of widths, moments and cumulants” // Optics and Spectroscopy, Vol. 98, No. 5, pp. 806-813 (2005).

36. Yu.G. Weiner, A.V. Naumov, "Statistisk analys av spektra av enkla föroreningsmolekyler och dynamiken hos oordnade fasta ämnen. II. Manifestation av interaktion mellan tvånivåsystem med föroreningsmolekyler beroende på avståndet mellan dem” // Optics and Spectroscopy, Vol. 98, No. 5, pp. 814-819 (2005).

LÅG TEMPERATUR DYNAMIK

OORDNADE FASTämnen OCH METODER FÖR DESS

STUDIER

Fasta ämnen med en oordnad mikrostruktur - kristaller med ett stort antal lokala defekter och föroreningar, amorfa medier (inklusive glas)*, naturliga polymerer, biologiska medier etc. är utbredda i naturen och har använts sedan urminnes tider. För närvarande används många konstgjorda material med en oordnad mikrostruktur också i stor utsträckning inom teknik och vardagsliv - olika plaster och glas, glaskristallina material (keramik, glaskeramik, glasyr), amorfa metaller och legeringar, amorfa halvledare och många andra. Nyligen har en bred klass av solida föremål med en helt ny typ av oordnad inre struktur dykt upp. Det är så kallade nanoobjekt (nanosfärer, nanorör, nanotrådar, olika kluster etc.), som tillverkas med hjälp av ny teknik. Dimensionerna på sådana föremål sträcker sig från några till hundratals nanometer. Nanoobjekt har ett antal ovanliga egenskaper, vilket gör det möjligt att skapa fundamentalt nya material och enheter baserat på dem. Nanoobjekt med en oordnad inre struktur inkluderar en bred klass av biologiska strukturer av mikroskopisk storlek, till exempel olika molekylära föremål som fungerar inuti celler (de så kallade biofabrikerna eller biomaskinerna) och många andra. Under normala förhållanden är de flesta biologiska medier inte fasta ämnen. Vid låga temperaturer, vid vilka sådana medier och föremål ofta är bekvämare att studera, är de som regel fasta tillståndsmedier.

Observera att glas eller glasartat ämne i fysiken är ett metastabilt tillstånd av ett amorft ämne som erhålls genom snabb frysning av en vätska till temperaturer där viskositeten ökar kraftigt (upp till 1013 eller mer poises), vilket leder till bevarandet av oordning i arrangemanget av atomer eller molekyler. I detta arbete kommer glasögon för korthetens skull ofta att kallas alla oordnade material i fast tillstånd, vilket är brukligt i den specialiserade litteraturen.

På grund av egenskaperna hos ämnen med en oordnad struktur är det omöjligt att uppnå betydande framsteg i utvecklingen av nya enheter och material baserade på dem, såväl som i utvecklingen av biologi och medicin. Det växande intresset för studiet av ämnen med en mer komplex inre struktur än i fallet med kristaller förklaras inte bara av de ökande behoven av praktik, utan också av utvecklingen av den fysiska vetenskapen själv och en betydande ökning av dess metodologiska kapacitet.

En av de grundläggande inriktningarna i fysiken för oordnade fasta medier är studiet av dynamiska processer i sådana medier.

Dessa studier ger information om de olika egenskaperna hos fasta ämnen relaterade till deras inre dynamik. Dessa är en mängd olika processer för absorption, omvandling och överföring av energi i fasta ämnen. Sådana välkända processer som provuppvärmning och värmeöverföring, fortplantning och absorption av ljud, interaktion av ett fast tillståndsmedium med extern strålning och själva strålningsprocesserna som uppstår i fasta tillståndsmedier, såväl som många andra fenomen, är i första hand på grund av mediets inre dynamik. Det är svårt att nämna någon egenskap hos ett ämne som inte i någon grad skulle vara relaterad till dess inre dynamik. Även egenskaper som hårdhet, styrka eller elasticitet, som kan verka rent statiska, kan inte förklaras utan att involvera processer förknippade med materiens inre dynamik.

Systematiska studier av dynamiken hos oordnade fasta medier började relativt nyligen, i början av 70-talet av 1900-talet. De första studierna utfördes oftast vid låga temperaturer (under några grader Kelvin), och först mycket nyligen började studier av dessa miljöer utföras vid högre temperaturer, i synnerhet inom området för så kallade mellantemperaturer , som inkluderar temperaturer från några få och upp till flera tiotals grader Kelvin.

Redan de första experimentella studierna av de dynamiska egenskaperna hos oordnade fasta ämnen vid låga temperaturer visade att dessa egenskaper skiljer sig kraftigt från motsvarande egenskaper hos kristaller. Till exempel upptäcktes det att oordnade ämnen uppvisar ett linjärt beroende av specifik värmekapacitet och ett kvadratiskt beroende av värmeledningsförmåga på temperatur, i motsats till det kubiska beroendet för båda egenskaperna i kristaller (se till exempel). Senare, i studier utförda vid mycket låga temperaturer, upptäcktes anomalier i absorptionen av ultraljud och elektromagnetisk strålning, icke-linjära effekter såsom mättnad av absorption och många andra ovanliga fenomen i beteendet hos oordnade ämnen (se t.ex.. Det också visade sig att dessa anomala egenskaper är universella till sin natur och praktiskt taget oberoende av ämnets specifika sammansättning och struktur. Dessa observationer visade tydligt att de observerade anomala egenskaperna hos störda medier inte orsakas av den specifika strukturen hos ämnet som studeras, utan av själva faktumet av förekomsten av störningar i den interna strukturen av sådana medier. Studierna visade också att tillämpningen av standardmetoder och metoder, utvecklade av fysiken under många år i studiet av egenskaperna hos kristaller, till studiet av störda ämnen i de flesta fall visar sig vara ineffektiva eller omöjliga. Detta förklaras för det första av det faktum att traditionella metoder för experimentell diagnostik av egenskaperna hos fasta ämnen ger medelvärden över olika parametrar (mättid, uppmätt volym, ljusfrekvenser i spektralområdet studeras etc.) data. När man studerar kristaller av god kvalitet är denna omständighet vanligtvis inte av grundläggande betydelse, eftersom sådana ämnen har en hög grad av homogenitet. När det gäller oordnade medier leder nämnda medelvärde till en kraftig förvrängning av den inhämtade informationen. För det andra har försök att tillämpa befintliga teoretiska tillvägagångssätt för att beskriva det dynamiska beteendet hos atomer eller molekyler i en fast kropp i de fall där det inte finns någon ordning och symmetri i arrangemanget av dessa objekt, stött på enorma svårigheter av matematisk natur. Det blev tydligt att för att uppnå framsteg i studiet av de dynamiska egenskaperna hos oordnade medier är det nödvändigt att utveckla nya experimentella metoder för att studera fasta ämnen, fria från de inneboende bristerna i befintliga metoder, och att utveckla nya tillvägagångssätt för den teoretiska beskrivningen dynamiken i sådana medier. Arbete inom detta område har blivit ett av de nuvarande områdena inom experimentell fysik i slutet av 1900-talet och början av 2000-talet.

Trots det faktum att problemet med att kvantitativt beskriva dynamiska processer i oordnade medier, som har en mycket mer komplex inre struktur än kristaller, ur en rent matematisk synvinkel verkade praktiskt taget olösligt, genom forskarnas ansträngningar började verkliga framsteg uppnås. i denna riktning. De första som föreslog ett fundamentalt nytt tillvägagångssätt för att beskriva de dynamiska egenskaperna hos oordnade fasta ämnen vid låga temperaturer var P.W. Anderson och medförfattare och, oberoende av varandra, W.A. Philips, som 1971 lade fram den briljanta idén om möjligheten att beskriva dynamiken hos oordnade fasta ämnen med hjälp av konceptet med elementära lågenergiexcitationer som ofta används inom fysiken. Det föreslagna tillvägagångssättet är baserat på den grundläggande idén att det i de medier som diskuteras, förutom akustiska fononer, finns lokala elementära lågenergiexcitationer som är specifika för sådana medier - tunnling av tvånivåsystem (TLS). Med hjälp av detta antagande konstruerade de en ganska enkel modell av dynamiken hos oordnade fasta medier vid mycket låga temperaturer, kallad standard TLS-modellen i litteraturen. I denna modell ersätts den komplexa potentiella ytan av ett oordnat medium med en uppsättning lokala dubbelbrunnspotentialer, och den slumpmässiga naturen hos denna yta reduceras till fördelningen av parametrarna för dessa potentialer. Två lågt liggande isolerade nivåer i en sådan potential är åtskilda av en barriär, som övervinns genom tunnling med fononemission eller absorption. Enligt den föreslagna modellen är övergångar (hopp) av grupper av atomer eller molekyler mellan lägre nivåer i dubbelbrunnspotentialer orsaken till uppkomsten av elementära lågenergiexcitationer vid låga fononer, utöver akustiska fononer, som bestämmer de dynamiska egenskaperna av beställda fasta medier vid låga temperaturer. I amorfa material vid temperaturer under 1-2 K överstiger densiteten av tillstånden för TLS avsevärt tätheten för tillstånden för akustiska fononer. Därför bestäms de dynamiska egenskaperna hos glasögon vid dessa temperaturer huvudsakligen av TLS. Således, enligt den föreslagna modellen, är närvaron av TLS huvudorsaken till den radikala skillnaden i lågtemperaturegenskaperna hos glasögon från egenskaperna hos kristaller.

Standard TLS-modellen visade sig vara mycket universell; den gör det möjligt att beskriva de flesta av de experimentellt observerade vid T

Amorfa material har ett antal universella specifika egenskaper som skiljer dem från kristallina ämnen även vid temperaturer högre än 1-2 K. Sådana egenskaper inkluderar till exempel: utöver akustiska fononer och TLS-bidrag till värmekapaciteten vid temperaturer från några till flera tiotals grader Kelvin, närvaron av en platå i temperaturberoendet av termisk konduktivitet i området 10 K, en linjär minskning av ljudets hastighet med ökande temperatur i området över flera grader Kelvin, närvaron av den så kallade bosoniska toppen i lågfrekvent Raman-spridning av ljus (se t.ex.) och ett antal andra effekter ( se även monografier och referenser där). Samtidigt visar sig standard TLS-modellen vara otillräcklig för att förklara och kvantitativt beskriva de nämnda anomala dynamiska egenskaperna. De listade fakta, såväl som resultaten av studier av oelastisk neutronspridning i amorfa material, indikerar att det i dessa material, förutom fononer och TLS, finns andra lågenergielementära excitationer. För att beskriva de specifika egenskaperna hos amorfa ämnen i ett bredare område av låga temperaturer än temperaturer under Kelvin-enheter föreslogs en modell av mjuka potentialer (Karpov et al.).

Denna modell använder också konceptet med elementära lågfrekventa excitationer, men den försöker utöka modellens omfattning.

Det finns ytterligare två typer av kvasilokala lågenergielementära excitationer. Dessa ytterligare excitationer, i analogi med TLS, tolkas som rörelser av grupper av atomer eller molekyler i lokala minima av den potentiella ytan. Dessa är kvasi-lokala lågfrekventa harmoniska moder (LFH), som antas motsvara vibrationsrörelsen hos grupper av atomer eller molekyler och realiseras i singelbrunnspotentialer, och relaxationssystem där, till skillnad från TLS, inte tunnling, men termiskt inducerade överbarriärövergångar förekommer mellan två potentiella hål. Densiteten för NSM är nära noll vid låga temperaturer och ökar kraftigt med dess tillväxt. Enligt mjukpotentialmodellen är det relaxationssystem och NFM som är ansvariga för de anomala egenskaperna hos amorfa material vid T > 2-3 K. Potentialerna där TLS, relaxationssystem och NFM realiseras är "mjuka", i känner att yttre påfrestningar lätt omvandlar dem till varandra. Mjukpotentialmodellen återger resultaten av standardmodellen för tunneldrivning av TLS vid låga temperaturer och beskriver samtidigt väl många fenomen i glasögon vid högre temperaturer (upp till tiotals grader eller mer).* Det kan betraktas som en generalisering av TLS-modellen.

Trots de uppenbara framstegen i den kvantitativa beskrivningen av dynamiska fenomen i oordnade medier, som uppstod efter tillkomsten av TLS-modellen och modellen för mjuk potential, förblir de flesta grundläggande frågor i denna riktning öppna. Först och främst rör dessa frågor den mikroskopiska karaktären hos elementära excitationer i glasögon och mekanismerna för dynamiska processer som uppstår i sådana medier. Båda modellerna är rent fenomenologiska till sin natur och är inte kapabla att svara på frågor av det här slaget. Dessutom finns det en hel rad experimentella data om dynamiken hos glasögon vid låga och mellanliggande temperaturer, som Notera: Temperaturintervallet från 1-2 K till tiotals grader Kelvin i litteraturen inom detta område brukar kallas mellanliggande.

25 kan inte beskrivas inom ramen för dessa modeller. Ett betydande problem är att de utvecklade modellerna inte tillåter att man tar hänsyn till specifika mikroskopiska parametrar i miljön ens på fenomenologisk nivå. De största svårigheterna uppstår vid beskrivning av de dynamiska egenskaperna hos oordnade medier i det mellanliggande temperaturområdet. Denna temperaturregion är den minst studerade och det finns mycket lite experimentell information om dynamiska processer vid dessa temperaturer. I synnerhet vet vi mycket mindre om processer som involverar NFM än om fenomen förknippade med deltagandet av TLS, även om NFMs roll manifesteras i ett mycket bredare temperaturområde.

De angivna problemen är av grundläggande karaktär och påverkar grunden för vår förståelse av lågtemperaturglasögonens dynamiska egenskaper.

Bristen på en bra teori hindrar avsevärt ytterligare framsteg inom detta område av vetenskap och, inte mindre viktigt, komplicerar avsevärt skapandet av nya material och enheter baserade på oordnade ämnen. Därför är forskning som syftar till att erhålla mikroskopisk information om dynamiska fenomen i komplexa oordnade fasta medier i området med låga och, särskilt mellantemperaturer, och utvecklingen av teori i denna riktning extremt viktiga och relevanta.

En av de första experimentella metoderna som gjorde det möjligt att eliminera medelvärde vid mätning av parametrarna för amorfa medier, som användes för sådana studier, var metoden för lågfrekvent ljusspridning. Denna metod gör det möjligt att få information om frekvensfördelningen av lågenergiexcitationer i ett oordnat medium i fast tillstånd från det lågfrekventa spridningsspektrumet av monokromatiskt ljus i provet. De där. Denna metod eliminerar frekvensmedelvärde för lågfrekventa excitationer.

Experiment med användning av det visade närvaron i glas av ytterligare (jämfört med kristaller) lågfrekvent ljusspridning, kallad bosonisk topp, vilket tillskrevs förekomsten i sådana medier, även vid låga temperaturer, av lågenergiexcitationer förutom fononer . Senare upptäcktes samma effekt i lågenergispektra av oelastisk neutronspridning, som också visade närvaron av ytterligare spridning i oordnade medier jämfört med kristaller. Trots många studier är karaktären av den bosoniska toppen fortfarande en fråga om debatt. Svårigheter att tolka karaktären av bosontoppen förklaras till stor del av det faktum att metoder för oelastisk lågfrekvent spridning av neutroner och ljus producerar data som är högt medelvärde över ett antal andra parametrar (provvolym, mättid, etc.).

En av de effektiva metoderna för att få information om egenskaper och struktur hos fasta ämnen är optisk spektroskopi av ett föroreningscentrum.

Denna metod är baserad på detektering och analys av de optiska spektra av atomer, joner eller molekyler (kallade föroreningscentra) som absorberar ljus i det strålningsintervall som valts för forskning och som introduceras i en mycket låg koncentration i mediet som studeras (matris) transparent i detta område, som en spektral mikroskopisk sond. De optiska spektra av föroreningscentra (i det följande kommer vi endast att överväga fallet med föroreningsmolekyler) har sitt ursprung till elektronövergångar i det yttre elektronskalet hos molekyler och är därför extremt känsliga för parametrarna i den närliggande miljön. De innehåller viktig information om de dynamiska processerna i dessa molekylers mikroskopiska miljö.

Särskilt känsliga för parametrarna för den yttre miljön är de smala nollfononspektrallinjerna av kromoformolekyler, vars bredd vid låga temperaturer jämförs med strålningsbredden. Snabba konfigurationsförändringar i den omedelbara miljön för kromoforer och fononexcitationer i denna miljö visar sig i en enhetlig breddning (optisk avfasning) av spektrallinjerna hos föroreningsmolekyler; långsammare processer (till exempel långsamma övergångar av grupper av atomer eller molekyler i två- nivåsystem) orsakar små förändringar i frekvenserna för individuella spektrala övergångar - denna process kallas spektral diffusion.

grundläggande fördelar. Detta är den praktiska tröghetslösheten hos sådana sonder, vilket gör det möjligt att övervaka snabba (upp till femtosekunder) processer i mediet, förmågan att få information om mediets egenskaper på mikroskopisk nivå, en låg grad av snedvridande inverkan på mediet. föremål under studie etc. Trots de viktiga fördelarna har föroreningscentrumspektroskopi funnits i många år och används främst i studier av välordnade kristallina material. Användningen av klassiska metoder för spektroskopi av föroreningscentrum för att studera mer komplexa fasta strukturer och i synnerhet amorfa medier stötte på en grundläggande svårighet - lokala inhomogeniteter närvarande i oordnade substanser ledde till effekten av inhomogen breddning av spektrumet. Denna effekt uppstår eftersom molekyler som befinner sig i olika lokala miljöer har olika resonansfrekvenser av elektroniska övergångar, vilket leder till en kraftig suddighet av de observerade spektra på frekvensskalan. Detta visades först för fallet med en oorganisk matris i Szabos arbete, och i fallet med en organisk matris i arbetet av Personov et al. .

Inhomogen breddning observeras ofta i kristallina ämnen, vilket förklaras av närvaron av mikrodefekter och föroreningar i många verkliga prover. Påverkan av inhomogen breddning är särskilt stark vid låga temperaturer. Till exempel, vid temperaturer för flytande helium, kan storleken på den inhomogena breddningen i spektra av orenheter av organiska amorfa substanser överstiga den homogena bredden av nollfononlinjen med en faktor på 105 eller mer. Uppenbarligen, i närvaro av en sådan breddning, är det extremt svårt att extrahera användbar information om egenskaperna hos mediet som studeras baserat på de registrerade spektra. Situationen förändrades radikalt i slutet av 70-talet - början av 80-talet efter tillkomsten av nya metoder för selektiv laserspektroKromoforer i spektroskopi kallas vanligtvis grupper av atomer i en molekyl som ansvarar för absorptionen av strålning av denna molekyl i det optiska området av spektrumet. I detta arbete kommer vi för korthets skull, som är brukligt i den relevanta litteraturen, att kalla de absorberande molekylerna själva för kromoforer.

28skopi, såsom selektiv excitation av finstrukturerade luminescensspektra (Personov, 1972

) och utbränning ur stabila spektralhål (Personov, Kharlamov, 1974 och, oberoende, Gorokhovsky, Kaarli, Rebane, 1974). Den första metoden (i utländsk litteratur kallas det fluorescenslinjeavsmalning) är baserad på selektiv excitation, med användning av monokromatisk laserstrålning, av fluorescensen hos en underenhet av föroreningsmolekyler som har absorptionsfrekvenser mycket nära frekvensen för den exciterande lasern. Som ett resultat av sådan selektiv excitation observeras finstrukturerade fluorescensspektra, orsakade av glöden från den exciterade underensemblen av kromoformolekyler. Således gör metoden för selektiv excitation av finstrukturerade luminescensspektra det möjligt att eliminera medelvärdesbildning över de naturliga frekvenserna för en ensemble av kromoformolekyler. Naturligtvis bär de finstrukturspektra av luminescerande molekyler som erhålls på detta sätt en betydligt större mängd information om den spektrala dynamiken i matrisen som studeras än de lågstrukturspektra som uppstår när man använder traditionella metoder för excitering av spektra med bredbandsljuskällor . Emellertid har metoden för excitering av finstrukturerade luminescensspektra en allvarlig nackdel: när den implementeras experimentellt sammanfaller fluorescensemissionen från nollfononlinjen praktiskt taget i frekvens med frekvensen för den exciterande strålningen. I detta fall blir separeringen av svaga fluorescenssignaler från en nollfononlinje mot bakgrund av intensiv strålning av exciterande strålning med en oförskjuten frekvens ett mycket svårt experimentellt problem. Av denna anledning har den senare metoden inte funnit någon vidsträckt tillämpning för att studera dynamiken hos glasögon med användning av rent elektroniska nollfononlinjer i spektra av ett föroreningscentrum. Den andra metoden, som kallas metoden för att bränna stabila spektralhål (i utländsk litteratur kallas det hålbränning), är baserad på den selektiva fotokemiska eller fotofysiska omvandlingen av föroreningskromoformolekyler under påverkan av monokromatisk laserstrålning. Som ett resultat av denna effekt, i bredbandsabsorptions- eller fluorescensspektrumet för provet som studeras, kvarstår ett (stabilt) spektralfall under ganska lång tid, vars bredd är jämförbar med bredden på en homogen linje. Effekterna av spektral diffusion leder till en ökning av bredden på det spektrala hålet, vilket ökar med tiden mellan dess bränning och observation. Denna egenskap hos dips används för att studera dynamiken i amorfa system för orenheter. Möjligheten att erhålla information om processerna för spektral diffusion i det studerade systemet, utan förvrängning av effekten av inhomogen breddning, har gjort hålförbränningsmetoden till en av de mest använda för att studera glasögonens spektrala dynamik.

Metoden för att bränna stabila spektrala hål har en grundläggande nackdel: dess tillämpning producerar data i genomsnitt över en viss tidsperiod. Minimitiden för detta intervall bestäms av systemparametrarna och det erforderliga värdet på det uppnådda signal-brusförhållandet. I de allra flesta experiment är dessa tider i storleksordningen en bråkdel av en sekund eller mer. I vissa mätningar var det möjligt att uppnå millisekundstider. Sådan medelvärdesbildning leder uppenbarligen till betydande förluster av tidsinformation om de processer som studeras, till exempel om processerna för snabb spektral diffusion. I fallet med excitation av finstrukturerade luminescensspektra kan medelvärdestiden reduceras, men inte desto mindre är behovet av att uppnå ett tillfredsställande signal-brusförhållande å ena sidan och omöjligheten att öka intensiteten hos spännande ljus för att minska mättiden, å andra sidan, leder till det faktum att när man använder denna metod kan tidsgenomsnittet i processen att erhålla experimentella data inte elimineras.

I slutet av sjuttiotalet och början av åttiotalet av 1900-talet började man erhålla spektral information om dynamiska processer i glasögon i nivå med noll-fononlinjebredder med hjälp av metoden optiskt fotoneko (PE) (se även), baserad på en något annan princip. I denna metod erhålls information om processerna för optisk avfasning i föroreningssystemet som studeras, inte genom att mäta de spektrala egenskaperna hos -30-strålningen från föroreningscentra, utan genom att mäta tidsparametrarna för processen för sönderfall av ömsesidig koherens skapad i en ensemble av exciterade föroreningscentra av en kort laserpuls. Denna tid bestäms genom att mäta beroendet av intensiteten hos fotonekosignaler (PE) på fördröjningen mellan de "exciterande" och "sonderande" laserpulserna, kallad avklingningskurvan. Hastigheten med vilken avklingningskurvan minskar kännetecknas av den optiska avfasningstiden, T2. Den specificerade tiden och den enhetliga spektrala linjebredden är relaterade. Den senare omständigheten är grunden för att använda PE-metoden för att få information om processerna för spektral dynamik i föroreningssystem (grundidén för PE-metoden och dess varianter kommer att beskrivas mer i detalj nedan).

Den största fördelen med PE-metoden är förmågan att få information om den enhetliga bredden på spektrallinjerna i föroreningscentrumet och processen för spektral diffusion, oförvrängd av effekten av inhomogen breddning. Vid användning av dubbelpuls PE (en typ av PE-metod där två pulser av laserstrålning appliceras sekventiellt på provet), erhålls information med en maximal tidsupplösning, som bestäms av värdet på den enhetliga linjebredden. Vid användning av en annan typ av PE-metod - tre-puls PE, när tre korta laserpulser sänds successivt till provet, erhålls data om de spektrala diffusionsprocesser som inträffar i det studerade systemet under tiden mellan den andra och den tredje laserpulser. Denna information finns i beroendet av avklingningstiden för avklingningskurvan på fördröjningen mellan de indikerade pulserna. PV-metoden med tre pulser kan betraktas som en tillfällig analog till hålförbränningsmetoden. Den största fördelen med denna version av PE-metoden är förmågan att mäta bidragen från spektral diffusion på mycket korta tider (upp till nanosekunder eller mindre). På grund av närvaron av dessa fördelar är PE-metoden en mycket lovande metod för att studera processerna för lågtemperaturdynamik hos glasögon. Men antalet verk som använde det var mycket begränsat. Detta förklarades av ett antal svårigheter som uppstod under försöken att implementera det för dessa ändamål. I synnerhet uppstod svårigheter på grund av oönskade olinjära och fotokemiska effekter inducerade i provet som studeras av ultrakorta (pico- och femtosekund) laserpulser. Användningen av denna metod begränsades också av komplexiteten och de höga kostnaderna för pico- och femtosekundlasrar.

Under de senaste åren har ett stort antal arbeten utförts för att studera dynamiken i glasögon med hjälp av hålbränningsmetoden och ett betydligt mindre antal arbeten med PE-metoden. En del av dem kommer att beaktas i en eller annan grad i avhandlingens motsvarande kapitel, för vilka de resultat som erhålls i dessa arbeten är av väsentlig betydelse. Huvuddelen av forskningen utfördes vid relativt låga temperaturer (T

Trots många studier förblir de flesta grundläggande frågorna i vår förståelse av dynamiken i oordnade medier fortfarande öppna. Den mikroskopiska karaktären hos TLS är fortfarande okänd. Mekanismerna för interaktion mellan de diskuterade lågenergiexcitationerna med föroreningscentrumet är fortfarande okända. Särskilt lite är känt om de elementära excitationer som är ansvariga för dynamiska fenomen i glas i det mellanliggande temperaturområdet, i synnerhet om lågfrekventa kristaller. Nivån av förståelse för dynamiska fenomen inom detta område är betydligt lägre än nivån som uppnås när man förklarar dynamiken hos glasögon vid lägre temperaturer.

En av huvudorsakerna till den låga nivån av uppnådd kunskap om karaktären av dynamiska fenomen i glasögon vid låga och mellanliggande temperaturer är närvaron av en grundläggande nackdel i de övervägda metoderna för selektiv spektroskopi, nämligen att dessa metoder ger data i genomsnitt över en enorm monokromatisk subensemble av föroreningscentra, vilket leder i fallet med oordnade ämnen till förlust av en betydande del av informationen som finns i individuella spektra.

På senare år har en relativt ny metod för att studera fasta tillståndsmedia, enkelmolekylspektroskopi, börjat användas för att studera glasögon. Denna metod gör det möjligt att detektera individuella spektra av enstaka föroreningsmolekyler inbäddade i en molekylär matris i fast tillstånd. Den nya metoden återspeglar information om miljön på nivån för en enskild föroreningsmolekyl och dess mikroskopiska miljö och är således helt fri från effekterna av medelvärdesbildning över en stor ensemble av kromoformolekyler. Strax efter dess uppkomst användes enkelmolekylspektroskopi i ett antal verk för att studera dynamiken i molekylära system för oordnade föroreningar vid låga temperaturer (se till exempel monografin och recensioner och referenser däri).

Men på grund av ett antal allvarliga svårigheter användes metoden inte i stor utsträckning för dessa studier. I synnerhet uppstod betydande svårigheter vid användning av enkelmolekylspektroskopimetoden för dessa ändamål vid tolkning av de detekterade spektra. För att bättre förstå detta, låt oss uppehålla oss i detalj vid de grundläggande koncepten för lågtemperaturdynamiken hos oordnade fasta ämnen vid låga temperaturer och dess manifestationer i spektra av orenhetskromoformolekyler.

Enligt de för närvarande etablerade idéerna leder interaktionen av en föroreningskromoformolekyl med lågfrekventa partiklar och akustiska fononer av en oordnad matris till en breddning av dess spektrallinje, och interaktionen av kromoforen med övergångar i TLS leder till förskjutningar i frekvensen för dess spektrallinje. Om frekvensförskjutningarna av spektrallinjen som induceras av sådana övergångar är mindre än dess bredd, visar de sig totalt i experimentet som breddande, men om storleken på dessa förskjutningar är större än bredden på spektrallinjen, leder de att hoppa i frekvensen för en sådan linje eller dess delning. Om TLS gör hopp med en frekvens som är större än frekvensförskjutningen som orsakas av dessa hopp, delas inte spektrallinjen för föroreningsmolekylen utan vidgas (i utländsk litteratur kallas denna effekt för rörelselinjeavsmalning). Stora frekvensförskjutningar kan bara produceras av TLS som är belägna nära ett givet centrum och, som experiment visar, finns det få av dem. Om effekten av spektrumdelning orsakas av endast en TLS, observerar vi en dubblett; om antalet sådana TLS är n, observeras ett spektrum, vanligtvis bestående av 2n komponenter. Eftersom de karakteristiska parametrarna för TLS (övergångsfrekvens, asymmetri av energinivåer) och deras placering i förhållande till föroreningskromoforer varierar slumpmässigt över ett mycket brett område, kan individuella spektrallinjer av kromoformolekyler i lågtemperaturglas bestå av ett annat antal toppar, vars parametrar och antal kan variera kaotiskt över tiden och på olika sätt.

Den komplexa och till stor del slumpmässiga karaktären hos spektra av enskilda föroreningsmolekyler leder till ett antal grundläggande frågor angående identifiering och analys av sådana spektra. Hur karakteriserar man sådana spektra på ett adekvat sätt? Uppenbarligen ger begreppet linjebredd i detta fall inte längre någon fullständig beskrivning av dem. Hur kan man utifrån ett spektrum som består av flera toppar avgöra att det är spektrumet för en molekyl och inte flera? Hur kan man utvinna allmän information om egenskaperna hos det studerade mediet från spektra som främst speglar parametrarna för den slumpmässiga närmiljön?

De listade frågorna var, tror vi, huvudorsaken till det lilla antalet arbeten som använder metoden med enmolekylspektra för att studera lågtemperaturdynamiken hos glasögon. Särskilt lite arbete med tillämpningen av enmolekylspektroskopi för att studera dynamiken hos glasögon har utförts i området för mellantemperaturer, där det huvudsakliga bidraget till den observerade dynamiken görs av lågfrekventa partiklar.

Sålunda, i början av detta arbete, var ett av de akuta problemen i utvecklingen av vetenskapen om dynamiken hos fasta ämnen med en komplex inre struktur utvecklingen av nya spektrala metoder för att diagnostisera dynamiska processer i sådana ämnen, vilket skulle göra det möjligt att använda det höga informationsinnehållet i spektroskopi av föroreningscentret och samtidigt eliminera de största nackdelarna med att använda befintliga experimentella metoder för dessa ändamål. Nya metoder och tekniker bör i synnerhet göra det möjligt att eliminera sådana grundläggande nackdelar med traditionellt använda metoder som tidsgenomsnitt och medelvärdesberäkning över en ensemble av föroreningskromoformolekyler. Utvecklingen av nya metoder för att studera dynamiska fenomen i den minst studerade regionen - området med mellantemperaturer - var ytterst relevant.

TEORETISK RAM FÖR BESKRIVNING AV PROCESSER

OPTISK AVFASNING VID STÖRD

ORENHETSSYSTEM I FAST TILLSTÅND SOM LÅG

TEMPERATURER

Det här kapitlet presenterar de viktigaste bestämmelserna i den teoretiska metoden som används i detta arbete för att analysera de experimentella data som erhållits. En kort beskrivning av standard TLS-modellen, slumpmässiga hoppmodellen och mjukpotentialmodellen ges. De teoretiska modeller som utvecklats i arbetet beskrivs och är avsedda att beskriva processerna för optisk avfasning i oordnade föroreningar i fast tillståndssystem vid låga och mellanliggande temperaturer. Dessa är en modifierad modell av FE i lågtemperaturglas och en modell av FE i föroreningsglas, baserad på modellen med mjuk potential. Den första modellen utvecklades för att utöka kapaciteten hos teorin om FE i lågtemperaturglas av E. Geva och J.L. Skinner för att beskriva breddningsprocesser i föroreningsglas som involverar TLS. Det kan betraktas som en generalisering av denna teori. Den andra modellen utvecklades för att beskriva breddningsprocesser som involverar inte bara TLS utan också kvasi-lokala lågfrekventa vibrationslägen (LFVs) av den amorfa matrisen. Detta var nödvändigt för att öka temperaturintervallet inom vilket teorin kunde tillämpas. Alla teoretiska modeller som används i detta arbete är baserade på ett stokastiskt tillvägagångssätt för att beskriva processerna för linjebreddning av föroreningskromoformolekyler i en oordnad matris och modellen för okorrelerade slumpmässiga hopp (sudden jump model).

Utöver det stokastiska tillvägagångssättet utvecklar ett antal verk (se t.ex. Osadkos och Silbeys (R.J. Silbeys) verk) ett dynamiskt förhållningssätt. Teorier om linjebreddning av ett föroreningscentrum i glas baserade på det dynamiska tillvägagångssättet är mer generella till sin natur. Men för att beskriva glasögonens dynamiska egenskaper vid låga temperaturer används oftare enklare uttryck som erhållits inom ramen för stokastiska teorier. I detta arbete användes båda tillvägagångssätten: dynamisk - när det gäller att överväga interaktionen av kromoforer med NPM och stokastisk - när man överväger processerna för interaktion med TLS. Det stokastiska tillvägagångssättet valdes av skäl för större enkelhet i beräkningar, samt där tillämpningen av dynamisk teori enligt vår uppfattning inte ledde till väsentligt nya resultat.

2.1. Standardmodell av tvånivåsystem Begreppet DUS, som ligger till grund för denna modell, föreslogs som rent fenomenologiskt. Det antas att denna typ av elementära lågenergiexcitationer motsvarar övergångar av atomer eller molekyler eller deras grupper mellan två lokaliserade lågt liggande isolerade nivåer på den potentiella ytan av ett ämne (övergångar till externa nivåer beaktas inte i modellen). Dessa nivåer är åtskilda av en potentiell barriär, som övervinns genom tunnling med fononemission eller absorption. Modellen antar att vid låga temperaturer (T

Ris. 2.1. Tvådimensionell modell av glas och bildandet av TLS bestående av en "atom" (a, b) och en grupp av "atomer" (c, d). Tagen från .

Hamilton-operatören för DUS i en lokaliserad representation kan skrivas som:

Här är A asymmetrin hos TLS och J är tunnelmatriselementet, vilket uttrycks genom parametrarna för dubbelbrunnspotentialen som beskriver TLS:

där är tunnelparametern, m är den effektiva massan av TLS, V är barriärhöjden, h0 är nollpunktsenergin, d är avståndet mellan brunnarna i konfigurationsutrymmet (se fig. 2.2).

Således kännetecknas varje DUS av ett par interna parametrar A och J eller A och. Det bör noteras att TLS i vissa fall kännetecknas av ett par andra parametrar: splittringsenergin E och den totala relaxationshastigheten för TLS, där, är lika med summan av övergångshastigheterna mellan nivåerna |g och |e i båda riktningarna). Parametrarna E och är relaterade till parametrarna A och J genom följande relationer:

Här är c ​​TLS-fononinteraktionskonstanten; k – Boltzmann konstant; t (l) och t (l) – tvärgående (längsgående) komponenter av deformationspotentialen respektive ljudhastigheten; m – volymetrisk densitet av TLS; h är Plancks konstant.

Ris. 2.2. Dubbelbrunnspotential som beskriver TLS. De streckade linjerna är vågfunktionerna för markens |g och exciterade |e-tillstånd.

Det bör noteras att uttrycket (2.4) endast är giltigt för en enkelfononmekanism för interaktion mellan TLS och "fononbadet" och under förutsättning att det inte finns någon interaktion mellan TLS. Bidragen från två-fonon samt a(d.v.s. överbarriärövergångar) vid låga temperaturer är betydligt lägre och betraktas inte inom ramen för standardmodellen av lågtemperaturglasögon.

2.1.3. Lagar för TLS-fördelning över interna parametrar När man beskriver lågtemperaturdynamiken hos glasögon spelar lagarna för TLS-fördelning över parametrar som accepteras i teorin en viktig roll. Ett av de grundläggande antagandena för standard DUS-modellen är uttalandet om eller för parametrarna A och J:

där P0 är normaliseringskoefficienten:

Här är Amax, Jmax, Jmin de begränsande parametrarna för modellen, som kännetecknar förändringsintervallen i parametrarna A och J. Dessa gränser är valda enligt modellen så att antalet DUS NDUS för beräkningar valdes på ett självklart sätt som N DUS = V 2FE, där V är volymen som studeras (sfäriskt skal med radier rmin och rmax). Antalet Nchrome-föroreningscentra valdes till 2000.

Det huvudsakliga allmänna kriteriet för att välja parametrarna Amax, Jmax, Jmin, rmax och Nchrome är oberoende (med en given noggrannhet) av resultaten av modellberäkningar från dessa värden.

2.3.3. Jämförelse med standard fotoneko-teori Fram till nyligen har den stokastiska teorin som utvecklats av E. Geva och J.L. Skinner använts i stor utsträckning för att beskriva resultaten av PV-experiment i lågtemperaturföroreningsglas.

I 3E (, t w) = (exp(/ T1) 3E (, t w)), där korrelationsfunktionen 3FE (, t w):

Här (t) är den naturliga frekvensen för föroreningscentrumet, beskrivet med uttryck (2.10) (t) = 0 +. Vinkelparenteser visar medelvärde över alla historier av DUS-hopp (så kallad stokastisk medelvärdesberäkning); enligt de interna parametrarna för DUS och medelvärdesberäkning över positionerna för DUS (konfigurationsmedelvärde).

I detta arbete utfördes medelvärdet i (2,33) analytiskt. Vid härledning av parametrarna A och J (2.6) för µ0 och =0; (2) fördelning av TLS (2.13) över orienteringsparametern och (3) rumslig fördelning av TLS (2.14) över avstånd r i fallet med rmin=0. Resultatet av detta arbete för fallet med 2FE med µ=0 kan skrivas som:

Här är I0(z) och I1(z) modifierade Bessel-funktioner av den första typen av ordningen respektive 1.

Med hjälp av ekvationerna (2.15) och (2.34) kan man beräkna 2PE-sönderfallskurvorna inom ramen för denna teori, som vi hädanefter kommer att kalla den standard stokastiska teorin för FE i lågtemperaturglas. Med hjälp av 2PE-avklingningskurvorna kan den optiska avfasningstiden T2 och motsvarande "likformiga" ZPL-bredd, även kallad den inversa optiska avfasningstiden, bestämmas.

För att verifiera riktigheten av den utvecklade modellen, beräknade vi flera 2PE-avklingningskurvor med både den nya modifierade teorin och standard FE-teorin. För enkelhetens skull betraktade vi fallet rmin = 0. Som jämförelse använde vi ekvationerna för standard FE-teorin som härleds av Geva och Skinner. Vid µ = 0 kan denna funktion skrivas som uttryck (2.34), som användes för att beräkna 2FE-avklingningskurvorna. Vi beräknade produkten P0k med hjälp av ovanstående parametervärden och P0: P0k = 3,77106 K-1s-1.

I fig. Figur 2.4 (a, b) visar 2FE-avklingningskurvorna beräknade för två temperaturvärden T = 0,4 och 2,0 K, vid rmin = 0. Kurvorna som visas som heldragna linjer beräknas med den modell som utvecklats i detta arbete (formler (2.18) och (2.25)). De erhålls minus bidraget från T1. Öppna cirklar visar sönderfallskurvorna för 2FE (även minus tiden T1), beräknade på basis av standardteori med formeln (2.34).

Figuren visar fullständig överensstämmelse mellan kurvorna beräknade med olika metoder, vilket å ena sidan visar riktigheten av den utvecklade teorin, och å andra sidan bekräftar giltigheten av valet av värdena för de begränsande modellparametrarna , Amax, Jmax, Jmin, rmax, Nchrome.

Liknande verk:

“ORESHKO ALEXEY PAVLOVICH ANISOTROPISKA OCH STÖRINGSEFFEKTER I RESONANT DIFFRACTION OF SYNCHROTRON RADIATION Specialitet 01.04.07 – kondenserad materiens fysik Avhandling för doktorsgraden i fysikaliska och matematiska vetenskaper Vetenskaplig konsult: E Mosematik, professor i fysik, E Mosinnichkov. TÄLT Inledning Kapitel 1. Resonansspridning..."

“UDC 519.1 Puzynina Svetlana Aleksandrovna Perfekta färger av ett oändligt rektangulärt gitter 01.01.09 diskret matematik och matematisk kybernetik Avhandling för den vetenskapliga graden av kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper Handledare: Ph.D. S.V. Avgustinovich Novosibirsk 2008 INNEHÅLL sida Inledning................................................ ......»

“Dupliy Stepan Anatolyevich UDC 539.12 SEMI-GROUP METHODER IN SUPERSYMMETRIC THEORIES OF ELEMENT PARTICLES 01.04.02 – Teoretisk fysik Examensarbete för doktorsexamen i fysikaliska och matematiska vetenskaper Kharkov - 1999 2 INNEHÅLL INNEHÅLL 10 INTRODUKTION 10-man. . Inverterbara supermanifolds när det gäller stadsdelar 1.2. Irreversibla supergrenrör............... 1.2.1...”

“Filippov Dmitry Vitalievich PÅVERKAN AV JONISERING OCH EXCITATION AV ATOMER AV ELEKTROMAGNETISKT FÄLT PÅ FÖRUTSÄTTNINGAR FÖR STABILITET FÖR KÄRNOR OCH RADIOAKTIVT FÖRSÖTNINGSPROCESSER specialitet 01.04.02 – Teoretisk examen i fysik och fysik 20 doktorsexamen i fysik. 08 2 Innehåll INTRODUKTION Symboler KAPITEL 1. ATOMHALTS ROLL I PROCESSER FÖR KÄRNEOMVANDLINGAR (ÖVERSYN...”

“UDC 538.941 KRASNIKHIN Dmitry Anatolevich A-liknande fas 3He in an anisotropic aerogel Specialitet 01.04.09 – Lågtemperaturfysik Avhandling för den vetenskapliga graden av kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper Vetenskapsrådgivare: Akademiker vid Ryska vetenskapsakademin och Doctor Academy of Physics Matematik. Sciences V.V. Dmitriev Moskva 2012 Innehåll Inledning Kapitel 1. Egenskaper hos superfluid 3He...”

“UDC 511.3 Abrosimova Albina Andreevna FÖRDELNING AV POÄNG PÅ MULTI-DIMENSIONELL FÄRG TORI Specialitet 01. 01. 06 - matematisk logik, algebra och talteori AVHANDLING för graden av kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper...”

“Gamzova Yulia Vasilievna Kombinatoriska egenskaper hos delord 01.01.09 Diskret matematik och matematisk kybernetik Avhandling för den vetenskapliga graden av kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper vetenskapliga handledare kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper, kandidat i fysikaliska och matematiska vetenskaper, docent i fysikalisk vetenskap, docent i fysik, matte, docent i fysik. docent Sukhanov E. V. Ekaterinburg 2006 Innehåll Inledning 1. Begreppet...”

“Gribsky Maxim Petrovich UDC 537.86 FYSIK HOS PROCESSER FÖR HÖG STRÖM OCH TERMISK LÄGEN FÖR MIKROKRETS UNDER PÅVERKANDE AV PULSE MIKROVÅGSFÄLT 01.04.01 - Fysik för enheter, element i fysikaliska vetenskaper och system kan avhandlingsdatum för fysikalisk vetenskap och system. eller Staro Stenko Vladimir Viktorovich doktor i fysik och matematik. Sciences, docent vid institutionen för radiofysik och elektronik...”

“UDC 534,26; 517.958 Valyaev Valeriy Yurievich Experimentell och teoretisk studie av diffraktionen av akustiska vågor på koner av en speciell typ och hinder såsom en remsa Specialitet: 01.04.06 – akustik AVHANDLING för den vetenskapliga graden av kandidat för fysikaliska och matematiska fysikaliska vetenskaper Dr. och matematik Sc., docent Shanin Andrey Vladimirovich MOSKVA – Innehåll Introduktion...........”

“UDC 519.2 Lukintsova Maria Nikolaevna KONVERGENS AV ÅTGÄRDER OCH RADONTRANSFORMATION I OÄNDLIGA-DIMENSIONELLA RYMMEN 01.01.01 verklig, komplex och funktionell analys AVHANDLING för den vetenskapliga graden av kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper Moskva, sekvenser Uniform 3 Uniforms 3 Introduktion 2 101 4 sekvenser 3 Uniform. 1. Definition och hjälpdata 2...."

"Abramova Lyudmila Yurievna Funktioner av influensa hos olika fågelarter under experimentella förhållanden och effektiviteten av metoder för att identifiera patogenen 02/06/02 - veterinär mikrobiologi, virologi, epizootologi, mykologi med mykotoxikologi och immunologi Avhandling för den vetenskapliga graden av kandidat av Veterinärvetenskaper Vetenskaplig rådgivare: Doktor i biologiska vetenskaper, professor, pristagare..."

SHAPOVALOV IGOR PETROVICH UDC 537.61, 537.62, 537.63 BESTÄLLDA FASER OCH FASÖVERGÅNGAR I UNIAXIAL SU(3)-MAGNETS Specialitet: 01.04.02. – Teoretisk fysik Avhandling för den vetenskapliga graden av kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper Vetenskaplig handledare Doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper, professor Adamyan Vadim Movsesovich Odessa - 2013 INNEHÅLL Lista över villkorade...”

"Leonov Andrey Vladimirovich UTVECKLING AV TEKNIK FÖR AUTOMATISK BERÄTTELSE AV DYNAMISKA DOKUMENT OCH INTERAKTIV NARRATIV Specialitet 05.13.11 - Matematik och mjukvara för datorer, komplex och datornätverk Avhandling för graden av kandidat för fysikalisk och matematisk mattematik och fysikalisk matematik Doktorand - Matematik och fysikalisk matematik Doktorand vetenskaper, professor S . IN...."

“Mikhail Sergeevich Ageev Metoder för automatisk rubrikering av texter baserade på maskininlärning och expertkunskap 05.13.11 - Matematik och mjukvara för datorer, komplex och datornätverk AVHANDLING för den vetenskapliga graden av kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper Vetenskapliga rådgivare: doktor i fysik och Matematiska vetenskaper .n., akademiker Bakhvalov N.S., doktor i tekniska vetenskaper, prof. Makarov-Zemlyansky N.V. Moskva, 2004 INNEHÅLL 1...”

“Drozdenko Alexey Aleksandrovich UDC 621.385.6 Fysik av intensiva elektronstrålar i högfrekventa enheter av O-typ 01.04.01 – fysik av enheter, element och system Avhandling för den vetenskapliga graden av kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper: Savobichevlievlievnaordi Scientific advies Doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper, professor SUMY – 2009 INNEHÅLL LISTA ÖVER KONVENTIONELLA FÖRKORTNINGAR INTRODUKTION...”

"Romanov Alexander Leonidovich Justering av omloppsbanan och den elektronoptiska strukturen för VEPP-2000-lagringsringen med hjälp av svarsmatrismetoden 04/01/20 - fysik för laddade partikelstrålar och acceleratorteknik AVHANDLING för den vetenskapliga graden av kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper Vetenskaplig rådgivare, motsvarande ledamot, prof. Shatunov Yuri Mikhailovich Novosibirsk – 2011 2 Innehåll Introduktion........................................ ........ ...."

"Golovan Leonid Anatolyevich PÅVERKAN AV STRUKTURELLA KARAKTERISTIKA HOS PORUSA HALVLEDARE OCH DIELEKTRIKA PÅ DERAS OPTISKA EGENSKAPER Specialitet: 01.04.21 laserfysik Avhandling för doktorsexamen i fysikaliska och matematiska vetenskaper ..... INTRODUKTION 2008 Moscow Innehåll ..... .................................................. 8 1.. ."

“Evgeniy Aleksandrovich Gudzovsky Sök efter laddningsasymmetri i K ± 3 ± sönderfall i experiment NA48/2 Specialitet 01.04.23 högenergifysik Avhandling för den vetenskapliga graden av kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper Handledare: Doctor of Physical and Mathematical Sciences Professor Vzelid.D. Dubna 2006 Innehåll Lista över illustrationer Lista över tabeller Inledning 1 Teoretisk översikt 1.1 Inledning......"

VETENSKAPLIGA ANMÄRKNINGAR FRÅN KAZAN STATE UNIVERSITY

Volym 151, bok. 1

Fysik och matematik spindlar

OPTISK EKOSPEKTROSKOPI AV EN HÖGT KONCENTRERAD KRISTAL

K.P. Karimullip, A.A. Kalachev, V.A. Zuikov, V.V. Samartsev

anteckning

För första gången utfördes optisk ekospektroskopi av en granatkristall av yttriumaluminium med en hög (10 at.%) koncentration av thuliumföroreningsjoner med hjälp av den experimentella installationen "optisk ekoprocessor", som registrerar svaga ekosignaler i fotonräkningsläget . Signalerna för primärt, stimulerat och ackumulerat fotoneko studerades. Det fastställdes att avklingningen av den primära ekosignalen är icke-exponentiell med en exponent x = 1,07 och fasminnestiden Tm = 0,75 μs bestämdes. Livslängden för den exciterade nivån Ti(3H4) = 600 μs och den mellanliggande metastabila nivån uppmättes till ms. En studie genomfördes för

beroende av intensiteten hos det ackumulerade ekot på antalet exciterande pulspar. Möjligheten att använda kristaller med en hög halt av orenhetspop för flerkanalig inspelning av information med hög densitet i optiska koherenta informationsbehandlingskretsar analyseras.

Nyckelord: fotosession echo. ekospektroskopi, granat av yttriumaluminium, hög koncentration, thuliumpop, informationsbehandling, flerkanalsläge.

Introduktion

Kristaller dopade med joner av sällsynta jordartsmetaller används i stor utsträckning inom många områden av modern vetenskap och teknik. Spektroskopiska studier av föroreningskristaller är associerade med sökandet efter aktiva medier för ultravioletta lasrar, optiska scintillatorer och strålningsomvandlare. Särdragen hos spektral dynamik, i synnerhet de unikt långa fasrelaxationstiderna för vissa övergångar, har lett till användningen av sådana kristaller som informationsbärare i optiska lagringsenheter och processorer. Fotonekometoden används inom koherent optisk spektroskopi för att studera olika resonansmedier, bland vilka kristaller med föroreningar av sällsynta jordartsmetalljoner, de så kallade van Vleck-paramagneterna, är av särskilt intresse. Till exempel anses en kristall av yttriumaluminiumgranat med en förorening av tredubbelt laddade thuliumjoner: Tm3+ (UAS: Tm) vanligtvis anses vara ett av de mest lovande aktiva medierna för optiska minnesenheter och informationsbehandling baserad på fotoneko. Faktum är att våglängden för en av de effektiva energiövergångarna 3Hb(1) - 3H4(1) av thuliumjoner i granatmatrisen sammanfaller med 793 nm genereringsvåglängden hos en titan-safirlaser och, viktigast av allt, en miniatyrdiod laser. Dessutom gör närvaron av en metastabil 3G4-nivå med en livslängd på 10 ms och ultrafina undernivåer av marktillståndet, som har en livslängd på cirka 30 s i närvaro av ett svagt externt magnetfält, detta medium mycket attraktivt från punkten syn på användning i enheter för långtidslagring av information. II, slutligen, thuliumjoner har mycket låga

homogen linjebredd för den optiska övergången Godn, vilket också indikerar en stor "minneskapacitet", bestämd av förhållandet G„e0dn/G0d„, där Gne0d är den olikformiga linjebredden. Som regel bestäms den enhetliga linjebredden av avfasningstiden Tm, introducerad av Mims för att beskriva tvåpulsfotonekot. I frånvaro av ett externt magnetfält är värdet på fasminnestiden i UAS:Tt Tm = 75 μs eller till och med 116 μs, beroende på koncentrationen av thuliumföroreningsjoner. Det senare värdet motsvarar Godn = 1/pTm = 4 kHz, och därför Gneu0dn/G0Dn ~ 106 för det vanliga värdet av den inhomogena bredden, Gne0dn = 17 GHz i denna kristall. Det bör noteras att en så lång avfasningstid endast observerades i kristaller med en låg koncentration av föroreningar thuliumjoner vid temperaturen av flytande helium. Dessutom utfördes nästan alla kända lågtemperaturexperiment på UAS:Tm-kristaller med en halt av C = 0,1-0,5 at.%. Dock hos vissa

I vissa fall kan en hög koncentration av thulium också vara fördelaktigt. I detta arbete studerades fotonekosignaler i en högkoncentrerad orenhetskristall i syfte att söka efter optimala driftlägen för optiska ekoprocessorer, nämligen: möjligheten att öka infi det ackumulerade ekoläget analyserades.

1. Fotoneko och koherent optisk informationsbehandling

Den optiska ekoprocessorn (OEP) tillhör klassen av multifunktionella analoga enheter. Tack vare närvaron av styrsignaler kan dess impulssvar programmeras i realtid och ta emot olika typer av bearbetning från enkel memorering till integrerade transformationer med den önskade kärnan (se till exempel). OEP kan verka inom de tidsmässiga, rumsliga och rumsliga-temporala domänerna, utföra koherent eller inkoherent informationsbehandling, såväl som rent digitala operationer, både aritmetiska och logiska. Det var redan känt från erfarenheten av att skapa spin-ekoprocessorer att huvudsakligen stimulerade ekosignaler kunde användas i deras drift. Stimulerat fotoneko (SPE) är det koherenta svaret från ett resonansmedium på påverkan av tre exciterande pulser, genererade vid tidpunkten: £ = ¿23 + 2^12, där £ är tidsintervallet mellan exciterande pulser. Det kan visas att SFE-signalens spektrum bestäms av följande uttryck:

ESfe(£) ~ (E01 ® Eoz) * E02 = JJ Ео1(х)Еоз(у + x) Ео2(£ - y) yхуу, (1)

där Eо./ är enveloppen för den "te pulsen, ] = 1, 2, 3. För enkelhetens skull introduceras följande beteckningar: tecknet "*" motsvarar faltningsoperationen och tecknet "®" motsvarar korrelation av två funktioner.SFE-signalen är således resultatet av faltning av den andra pulsen med korrelationsfunktionen för den första och tredje pulsen.Formel (1) är grunden för användningen av SFE-signaler i optiska informationsbehandlingssystem.

Optiska ekoprocessorer och optiska lagringsenheter baserade på fotoneko-fenomenet har stora möjligheter för inspelning, lagring och bearbetning av information. För att öka tätheten av informationsinspelning i sådana enheter kan flerkanalslägen användas (se till exempel). För att bygga sådana optiska informationsbehandlingssystem används olika metoder för kanalseparation.

läsning

Ris. 1. Schema för kodseparation av kanaler i ackumulerat ekoläge: r - referenspulser, 01 - objektpulser, ASFE - ackumulerad ekosignal. Driftförhållanden: t, AB<Т2, Т < Ть N ~ Т1/Т2

Betrakta till exempel flerkanalig informationsinspelning baserad på fotoneko med koddelning. I allmänhet är kodseparationen av kanaler i multipulsfotonekoschemat baserad på följande. att abonnenten i varje kanal har sin egen standarduppsättning (alfabet) av brusliknande signaler (eller kodsekvenser), med vars hjälp den kan överföra information. Som nämnts ovan är enveloppen för SFE-signalen en faltning av den andra (objekt) pulsen med korrelationsfunktionen för den första (referens) och tredje (läs) pulsen. Därför kommer den tidsmässiga formen av SFE-signalen att reproducera den tidsmässiga formen av objektpulsen, förutsatt att korrelationsfunktionen är deltaformad. Att organisera samtidig flerkanalsinspelning (och åtkomst) är endast möjligt när signalerna från olika abonnenter skiljer sig i form. I fallet med koherent informationsbehandling baserad på fotoneko, används ackumulerade ekosignaler för att organisera en sådan krets. Låt den första (referens)pulsen i varje par ha sin egen specifika modulering (kod), och läspulsen en av dessa möjliga former av modulering (se fig. 1). Sedan, förutsatt att denna uppsättning koder uppfyller ortogonalitetsvillkoret, kommer signalen från det ackumulerade fotonekot att motsvara en av objektpulserna, nämligen den för vilken moduleringen av referenspulsen sammanfaller med moduleringen av läspulsen. Ett sådant flerkanaligt (flerpuls) inspelningsschema fungerar endast under följande förhållanden: tidsintervallet mellan pulser t i ett par och mellan pulspar bör vara mindre än fasminnestiden T2, och hela pulssekvensen bör inte överstiga varaktigheten av det exciterade tillståndets livslängd. T1/T2-förhållandet bestämmer det maximala antalet pulspar N, det vill säga antalet parallella kanaler för samtidig informationsöverföring. Eftersom det är känt att med ökande koncentration av föroreningsjoner minskar T2-tiden

på grund av "komprimering" av pulspar i en flerpulssekvens. En högkoncentrerad UAS:Tm-kristall visar sig således vara ett mycket lovande medium för att implementera flerkanalig informationsinspelning i optiska ekoprocessorer.

2. Experimentell uppställning

Ekospektroskopi av en föroreningskristall av granat med thulium utfördes på en experimentell uppsättning "optisk ekoprocessor". Installationen skapades på basis av laboratoriet för olinjär optik vid Kazan Scientific Center vid Ryska vetenskapsakademin. ett unikt precisionsinstrumentkomplex designat för att utföra

3 P D AOM-1

Inriktning laser

ringlaser 3

L arr L A AOM-2 D F FEU

Ris. 2. Blockschema över experimentuppställningen "optisk ekoprocessor": 3 speglar med 100 % reflektion: PP genomskinlig platta: L lins: D membran: F block av dämpare (ljusfilter): P polarisator: En analysator: PMT fotomultiplikator: AOM akusto-optisk modulator: IMO strålningseffektmätare: IDV våglängdsspektrometer: prov i en optisk kryostat

mångfacetterad forskning inom området fotonekospektroskopi och koherent optisk informationsbehandling. Dess särdrag är användningen av en optisk signaldetekteringskrets i fotonräkningsläge. Användningen av en så mycket känslig inspelningsmetod gjorde det möjligt att studera extremt svaga fotonekosignaler. För första gången utfördes ekospektroskopi på ett prov med ett mycket högt (jämfört med det vanliga) innehållet av orenhetspop.

Installationsschemat visas i fig. 2. Dess huvudelement är en kontinuerlig enkelfrekvens ring titan-safir laser TYu-BG-OT (Tekh-noscan. Novosibirsk), pumpad av en argonlaser Ag-5.5-150 (Inversion. Novosibirsk). Laseravstämningsområdet är 750 ^ 950 nm, uteffekten vid en våglängd på 800 nm är 1 W. spektrallinjebredden på emissionen är 2 MHz. Sekvensen av exciterande pulser genereras av AOM-1 akusto-optiska modulatorn. Pulseffekten på provet i kryostaten är 50 mW. Fotonekot sänds ut i en kolinjär geometri (i de exciterande pulsernas verkningsriktning) och passerar genom den andra akusto-optiska modulatorn. AOM-2 tjänar till att "välja" ekosignaler och skydda inspelningsfotomultiplikatorn från exponering för kraftfulla spännande pulser. För att utföra polarisationsmätningar införs dessutom en polarisator och en analysator i kretsen. Fotonekosignaler registrerades av FEU-79. Ett specialutvecklat system för styrning och inspelning av ekosignaler "Photon Counter" (KSU. Kazan). utförs i en enda bärbar enhet, mäter ekosignaler i läget för både räkning av enstaka ekofotoner och signalackumulering med en repetitionshastighet på 1 kHz. Styrsystemet, i kombination med en räknare, ställer in den erforderliga varaktigheten för spännande pulser och tidsintervall mellan dem. samt tidsparametrar för inspelning av ekosignaler och antalet ackumuleringar. Timingdiagram av pulssekvenserna som används i våra experiment för att excitera de primära, stimulerade och ackumulerade ekosignalerna. visas i fig. 3.

0.6 1.3-2.3 0.6 1.3-2.3 0.6

0.6. 2.0 .. ..4.0-50,000.. ,. 2.0

stroboskop AOM2

Ris. 3. Tidsdiagram för excitering av signaler från det primära (c), stimulerade (b) och ackumulerade (o) ekot. Tid i μs

Ch 790 792 794 796 798 800 - 3Н6 Våglängd, nm

Ris. 4. (c) Struktur av energinivåer av thuliumjoner i matrisen av yttriumaluminiumgranat. Pilarna indikerar: arbetande övergångsavslappning pa

metastabil nivå 3P4 (ned), (b) Transmissionsspektrum för en UAS:Tt-kristall (C = 10 at.%) vid T = 1,8 K

3. Resultat och diskussion

I experimenten studerades en UAS:Tm-kristall 250 μm tjock med en koncentration av thuliumföroreningsjoner lika med 10 at.%. Spektroskopi av denna kristall med användning av en pulsad optisk ekospektrometer har tidigare rapporterats. dock var fotonekosignalen så svag att den inte kunde detekteras i en konventionell färglaserdesign. Kristallen var i en optisk kristall. i flytande helium, vid en temperatur av 1,8 K. Strukturen för energinivåerna för thuliumjoner i granatmatrisen visas i fig. 4. a. Signalerna från det primära, stimulerade och ackumulerade ekot exciterades vid en våglängd av 793,15 nm vid 3Hb(1)-3H4(1)-övergången. Transmissionsspektrumet för denna kristall visas i fig. 4. b. Eftersom thuliumjonernas kärnspinn är 1/2. då saknas den hyperfina splittringen på grund av den pseudokadrupla interaktionen. och hyperfina subnivåer degenereras i ett noll externt magnetfält. I detta avseende kan långlivade stimulerade fotoneko-signaler (LSPE) i frånvaro av ett magnetfält endast bildas vid metastabila nivåer (5556 cm-1) och 3H5 (8530 cm-1).

Fördröjningstid t12, inte Fördröjningstid t23, ms

Ris. 5. (c) Beroende av intensiteten hos de primära fotonekosignalerna (kvadrater) på fördröjningen mellan den första och andra exciteringspulsen och approximationen av detta beroende av funktionen I(T12) = Aexp[- (4t12/Tm) x], där Tm = 0,75 μe och x = 1,07 (heldragen linje), (b) Beroende av intensiteten hos stimulerade fotonekosignaler (cirklar) på fördröjningen mellan den andra och tredje exciteringspulsen och approximation av detta beroende med tre funktioner I(t23) = B exp(--2m23/T1(r)), där r = 1, 2, 3; T1(1) = 600 ms, T1(2) = 30 ms och T1(3) = 100 ms (heldragna linjer 1 3)

0,01 0,1 1 10 Fördröjningstid t, ms

10 20 30 40 50 60 Antal pulspar

Ris. 6. (c) Beroende av logaritmen för intensiteten hos stimulerade fotonekosignaler (kvadrater) av fördröjningen mellan den andra och tredje exciteringspulsen (i en logaritmisk skala) och approximation av detta beroende med exponentialfunktioner (heldragna linjer 1*, 1, 2 och 3). (b) Beroende av signalintensiteten för det ackumulerade fotonekot (cirklar) på antalet exciterande pulspar

Beroendet av ekosignalernas intensitet på fördröjningen mellan den första och andra (primära ekot) och mellan den andra och tredje (stimulerade ekot) pulsen, liksom beroendet av intensiteten hos det ackumulerade fotonekot på antalet pulser par studerades.

Analys av sönderfallskurvan för det primära fotonekot (Fig. 5, a) visar att sönderfallet är icke-exponentiellt och inte kan beskrivas med den vanliga exponentiallagen I(7*12) ~ exp(-4m12/T2), där T2 är fasavslappningstiden, I _ intensiteten av ekosignaler, t*2 - tidsintervall mellan första och andra

ry pulser. Ett liknande icke-exponentiellt sönderfall har tidigare observerats för svagt koncentrerad YAG:Tm: det förklarades på basis av en spektral diffusionsmodell på grund av slumpmässiga fluktuationer i det lokala fältet på grund av flip-flop flips av aluminiumkärnspinn. En sådan kurva kan beskrivas med formeln

I(na) - exp [- (4п2/Тм)x], (2)

först föreslagen av Mims fl 1] för en liknande situation i elektronisk spinresonans. Här är TM fasminnestiden, ai är exponenten, vilket beror på egenskaperna hos dynamiken hos kärnspinn, och Tm är exakt lika med T2 om x = 1, det vill säga sönderfallet är exponentiellt. För YAG med låg halt av thuliumjoner (C = 0,17 at.%) i ett noll magnetfält, Tm = 75 μs och x = 1,5. Förutom thulium-aluminium-korsrelaxationsprocesser finns det flip-flop-processer av thuliumspinn, som blir mer intensiva med ökande koncentration av orenheter. I detta avseende bör fasminnestiden minska med ökande thuliuminnehåll. I vår kristall som innehåller 10 at.% thuliumförorening, beskrivs sönderfallet av Mims-ekvationen med följande parametrar: TM = 0,75 μs i = 1,07 (heldragen linje i fig. 5, a). Dessa parametrar beror starkt på anpassningsproceduren och dess initiala värden. Mer exakta värden av dessa kvantiteter kan bestämmas efter ytterligare mätningar.

Låt oss betrakta sönderfallskurvan för det stimulerade fotonekot som visas i fig. 5 B. Det kan ses att kurvan har två veck (observera att närvaron av veck är ett av tecknen på bildandet av DSPE i provet). De experimentella data uppskattades av tre exponentiella beroenden (heldragna linjer (1 3) i fig. 5, b) med karakteristiska avklingningstider: 600 μs, 30 ms och 100 ms. Den första sönderfallstiden är livslängden för det exciterade tillståndet 3H4(1) av den aktuella övergången, den överensstämmer väl med värdet på 590 μs som observerats i arbetet. Den andra karakteristiska tiden återspeglar livslängden för den metastabila 3F4(1)-nivån, som är befolkad på grund av den snabba övergången av elektrondensiteten (sönderfallet) från det exciterade tillståndet. Värdet på 30 ms som erhölls i vårt experiment sammanfaller med data från andra författare, där en liknande nedgång kännetecknas av en tid på 10 12 ms. Det tredje, längsta sönderfallet beror på energiskiftet som är förknippat med interaktionen mellan kärnspinnen av thulium och aluminium i matrisen, och motsvarar väl sönderfallstiden på 90 ms som erhålls i detta arbete. En mer detaljerad studie av sönderfallskurvan för det stimulerade fotonekot i en YAG:Tni-kristall presenteras i fig. 6, a. Här visar x-axeln för tydlighets skull fördröjningstiden mellan den andra och tredje pulsen på en logaritmisk skala. Denna presentation av data gör det möjligt att separera bidragen till den stimulerade ekotavklingskurvan från processer med olika tidsskalor. I synnerhet, utöver de tidigare nämnda avsnitten 1, 2 och 3, sker en snabb nedgång, indikerad i figuren som 1*. Tiden för detta sönderfall är 20 µs. Närvaron av modulering i tidssegment 1 är tydligt synlig, vilket uppenbarligen beror på den hyperfina interaktionen av kärnspinn Tm.

Beroendet av intensiteten hos det ackumulerade fotonekot på antalet pulspar som tillförs provet visas i fig. 6, b. Den observerade ackumuleringseffekten jämfört med intensiteten av ekosignalen från ett enstaka par (den stimulerade ekosignalen) är 200. Detta motsvarar inkoherent addition av de stimulerade ekosignalerna som genereras av olika pulspar på grund av fördröjningslinjeinstabilitet. Detta ackumuleringsläge

Slutsats

Med hjälp av den mycket känsliga metoden för att detektera optiska signaler baserad på fotonräkning, registrerades och studerades signalerna från det primära, stimulerade och ackumulerade fotonekot i en högkoncentrerad förorening av yttriumaluminiumgranatkristall och studerades för första gången. Livslängden för det exciterade 3H4-tillståndet i en granatkristall med hög halt av Tm3+-joner förblir nästan densamma som för en kristall med låg föroreningskoncentration, medan fasminnestiden blir 100 gånger kortare. Eftersom förhållandet mellan livslängden för den exciterade nivån och tiden för fasminnet bestämmer det maximala antalet oberoende kanaler i ett flerkanaligt optiskt informationsinspelningsschema, är det genom att välja en viss koncentration av föroreningsjoner möjligt att avsevärt (minst två beställningar av storlek) ökaten. Kristaller med hög föroreningshalt kan således användas i flerkanaliga baserade på fotoneko.

Arbetet utfördes inom ramen för programmen för presidiet för den ryska vetenskapsakademin "Quantum Physics of Condensed Matter", avdelningen för fysikaliska vetenskaper vid den ryska vetenskapsakademin "Fundamental Optical Spectroscopy and its Applications" och "Fundamental Grunder för akustisk diagnostik av artificiella och naturliga miljöer”, och fick också stöd av ett anslag från Rysslands president för att stödja ledande vetenskapliga skolor (NS-2965.2008.2) och den ryska stiftelsen för grundforskning (projekt X-08- 02-00032a, 08-02-90001-Bel-a).

K.R. Karimullin, A.A. Kalachev, V.A. Zuikov, V.V. Samartsev. Optisk Eclio-Spect.roscopy av starkt dopad YAG:Tm Crystal.

Två-puls, stimulerade och ackumulerade fotonekon undersöks för första gången i en högdopad kristall Tm:YAG innehållande 10 at.% Tm3+. Avklingningskurvorna för de tvåpulsade och stimulerade fotonekon som genereras vid 793,15 nm på övergången 3Hb(1) - 3H4(1) för föroreningsjonerna mäts i frånvaro av ett pålagt magnetfält. Parametrar som beskriver energin och fasrelaxationen bestäms. Beroendet av den ackumulerade fotonekointensiteten på antalet exciteringspulspar undersöks.

Nyckelord: fotoneko, eclio-spect.roscopy. yttriumaluminiumgranat., högdopade kristaller, thuliumjon. informationsbehandling, flerkanalsläge.

Litteratur

1. Kwplyanskii A.A., Macfarlane R.M. Spektroskopi av fasta ämnen som innehåller sällsynta jordartsmetalljoner. North-Holland, Amsterdam: Elsevier, 1987. 486 sid.

2. Znamensky H.B., Malyukin Yu.V. Spektra och dynamik för optiska övergångar av sällsynta jordartsmetalljoner i kristaller. M.: Fizmatlit, 2008. 192 sid.

3. Kalaneo A.A., Samartsea V.V. Koherenta fenomen inom optiken. Kazan: Kazan Publishing House. Up-ta, 2003. 281 sid.

4. Macfarlane R.M. Högupplöst laserspektroskopi av rare-eart.li-dopade isolatorer: ett personligt perspektiv // J. Lumin. 2002. V. 100, nr 14. S. 1 20.

5. Lin N., Wang T., Wilson G.A., Mossberg T.W. Experimentell demonstration av optiskt minne i tidsdomän med svepande bärvåg // Opt. Lett. 1995. V. 20, nr 1. P. 91 93.

6. Merkel K.D., Babbitt W.R. Optiskt koherent, transient kontinuerligt programmerad kontinuerlig processor // Opt. Lett. 1999. V. 24. Nr 3. P. 172 174.

7. Merkel K.D., Krishna Mohan R., Cole Z., Chang T., Olson A., Babbitt W.R. Multi-Gigaliert.z radaravståndsbehandling av basbands- och RF-bärvågsmodulerade signaler i Tm:YAG // J. Lumin. 2004. V. 107, nr 1 4. S. 62 74.

8. Cole Z., Roos P.A., Berg T., Kaylor V., Merkel K.D., Babbitt W.R., Reibel R.R. Entydig range-Doppler LADAR-bearbetning med 2 giga-sample-per-sekund brusvågformer // J. Lumin. 2007. V. 127, nr 1. P. 146 151.

9. Maefariane R.M. Foton-eko-mätningar på t.rivalent. thuliumjon // Opt. Lett. 1993. V. 18, nr 22. P. 1958 1960.

10. Ohlsson N., Nilsson M., Kroll S., Mohan R.K. Långtidslagringsmekanism för Tm:YAG i magnetfält // Opt. Lett. 2003. V. 28, nr 6. P. 450 452.

11. Minis W.B. Fasminne i elektronspin-ekon, gitteravslappningseffekter i CaW04: Er, Cr, Mn // Phys. Varv. 1968. V. 168, nr 2. S. 370 389.

12. Strickland N.M., Sellin P.V., Sun Y., Carlsten J.L., Cone R.L. Laserfrekvensstabilisering med regenerativ spektral hålbränning // Fysisk. Varv. F. 2000. V. 62, nr 3. P. 1473 1476.

13. Akhdiev N.H., Samartsev V.V. Nya fysiska principer för optisk informationsbehandling. M.: Nauka, 1990. 326 sid.

14. Kumit N.A., Abella I.D., Harimann S.R. Patent. USA D* 3.638.029.1972.

15. Ustinov V.B. Kvantinformationsbearbetningsanordningar. L.: Nauka, 1984. 420 sid.

16. Zujkov V.A., Samartsev V.V. Rymd-tidsegenskaper hos flerkanaligt omvänt långlivat fotoneko // Laserfysik. 1991. V. 1, nr 5. P. 542 545.

17. Babbitt W.R., Mossberg T.W. Spatial routing av optiska strålar genom tidsdomän spat.ial-spect.ral filtrering // Opt.. Lett. 1995. V. 20, nr 8. P. 910 912.

18. Harris T.L., Sun Y., Cone R.L., Maefariane R.M., Equail R.W. Demonstration av adresshuvudavkodning i realtid för optisk datadirigering kl. 1536nm // Opt.. Lett. 1998. V. 23, nr 8. P. 636 638.

19. Vlasova D.D., Kalachev A.A., Samartsev V.V. Kodseparation av kanaler i optiskt minne baserat på fotoneko // Izv. RAS. Ser. fysisk 2006. T. 70, L" 4. P. 518 521.

20. Hesselink W.H., Wiersma D.A. Picosecond fotonekon stimulerade från ett ackumulerat gitter // Phys. Varv. Lett. 1979. V. 43, nr 27. P. 1991 1994.

21. Karimumshi K.P., Zuikov V.A., Samartsev V.V. Experimentell installation "optisk ekoprocessor" // Koherent optik och optisk spektroskopi: Coll. tr. Kazan: Kazap. stat up-t, 2004. S. 301 308.

22. Karimullin K.R. Registrering av fotonekosignalerna i fotonräkningsläget // Proc. SPIE 2006. V. 6181. P. 618101-1 618101-12).

23. Karimumshi K.P., Zuikov V.A., Khristoforova D.A., Samartsev V.V. Om möjligheten att använda kristaller dopade med tredubbelt laddade thuliumjoner i optiska ekoprocessorer // Uchep. zap. Kazap. hoppsan. Ser. Phys.-Matte. spindlar. 2007. T. 149, kp. 1. s. 64 71.

24. Gruber J.B., Hills M.E., Macfarlane R.M., Morrison S.A., Turner G.A., Quarles G.J., Kintz G.J., Esterowitz L. Spektra och energinivåer för Tm3+: Y3AI5O12 // Phys. Varv. F. 1989. V. 40, nr 14. P. 9464 9478.

25. Tiseanu C., Lupei A., Lupei V. Energinivåer av Tm3+ i yttriumaluminiumgranat // J. Pliys.: Condons. Materia. 1995. V. 7. P. 8477 8486.

26. Kalaehev A.A., Karimullin K.R., Samartsev V.V., Zuikov V.A. Optisk ekliospektroskopi av högdopat TmYAG // Laser Phys. Lett. 2008. V. 5, nr 12. P. 882 886.

27. Kalaehev A.A., Samartsev V.V. Egenskaperna med ackumulerat långlivat eko 011 Van-Vleck paramagnotics // Laser Physics. 1996. V. 6, nr 4. P. 735 738.

28. Tian M., Zhao J., Cole Z., Reibel R., Babbitt W.R. Dynamik hos bredbandsackumulerade spektralgitter i Tm3+ : YAG // JOSA B. - 2001. - V. 18, nr 5. - P. 673-678.

Mottaget av redaktören 01/28/09

Karimullin Kamil Ravkatovich doktorand vid institutionen för optik och papofoto vid Kazan State University, juniorforskare vid Laboratory of Nolinear Optics vid Kazan Institute of Physics and Technology uppkallad efter E.K. Zavoisky KazSC RAS.

E-shaP: qamiMiinbox.ru

Zuykov Vladimir Aleksandrovich Doktor i fysik och matematik, senior forskare vid laboratoriet för icke-linjär optik vid Kazan Institute of Physics and Technology uppkallad efter E.K. Zavoisky KazSC RAS.

E-shaP: gshkoj vk/I.kne.ru

Kalachev Aleksey Alekseevich Kandidat för fysik och matematik, seniorforskare vid Laboratory of Nolinear Optics, Kazan Institute of Physics and Technology uppkallad efter E.K. Zavoisky KazSC RAS.

E-shaP: kalaehevekfti.kne.ru

Samartsev Vitaly Vladimirovich doktor i fysik och matematik, professor, chef för laboratoriet för icke-linjär optik vid Kazan Institute of Physics and Technology uppkallad efter E.K. Zavoisky KazSC RAS.

E-shaP: samartsevekfti.kne.ru