WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2007, том 49, вып. 1 Доплеровская спектроскопия бесфононных линий © К.К. Ребане Институт физики Тартуского университета, 51014 Тарту, Эстония E-mail: rebanek@fi.tartu.ee (Поступила в Редакцию 11 апреля 2006 г.) Отмечено, что узость чисто электронных бесфононных линий (БФЛ) открывает привлекательные возможности их спектрального исследования с помощью эффекта Доплера — доплеровской спектроскопии (ДС).

Установлено, что для сдвига БФЛ шириной 10 MHz в новое положение достаточно скоростей приемника относительно источника 10 m/s. Показано, что чем уже линия или спектральный провал (ее „негативное изображение“), тем более эффективна ДС. Отмечена возможность измерения формы спектральных провалов с помощью ДС, рассмотрены возможности сверхчувствительной ДС. Указана особенность ДС-модуляции частоты — отсуствие возмущения внутренних состояний излучателя и поглотителя. Сделан вывод о необходимости изучения интерференции фотона „с самим собой“, когда частота „его половины“ изменяется с помощью ДС.

Автор благодарит за поддержку Фонд науки Эстонии (грант № 5547), Фонд А.Ф. Гумбольдта и Международный центр научной культуры — Мировую лабораторию.

PACS: 71.55.-i, 78.20.Bh, 78.55.-m, 78.90.+t 1. Чисто электронные бесфононные линии (БФЛ) — При V c для продольного сдвига ( = 0 или ) очень важная составляющая низкотемпературных спек2 V тров многих активированных примесями твердых тел.

= - 0 = ± 0, (2a) БФЛ весьма узки и обладают большими пиковыми c интенсивностями сечения поглощения (см. работы [1–7] а для поперечного доплеровского сдвига и ссылки в них). Ряд свойств БФЛ аналогичен свойствам -резонансных линий Мессбауэра, и поэтому они иногда 2 1 V называются оптическим аналогом линий Мессбауэра [8].

= - 0. (2b) 2 c Вся спектроскопия мессбауэровских линий основывается на эффекте Доплера. Цель настоящей работы состоИз (2a) следует, что для получения сдвига частоты на ит в том, чтобы показать, что для оптических БФЛ также величину порядка 10 MHz, примерно равную типичной можно развить доплеровскую спектроскопию (ДС).

однородной ширине, наиболее часто используемой в ДС целесообразно применять, если скорости V приэкспериментах по изучению БФЛ, требуются скорости V емника относительно источника, необходимые для топорядка нескольких десятков метров в секунду. Таким го, чтобы сдвинуть частоту спектральной линии на образом, перспективы доплеровской спектроскопии БФЛ величину, равную ширине этой линии, не слишком представляются интересными для дальнейших эксперивелики для реализации их в лабораторных условиях.

ментов.

В качестве оценки можно принять, что если скорости 2. Впервые ДС была использована для изучения БФЛ V 100 m · s-1, то использование ДС целесообразно.

в работе [10]. Объектом эксперимента в [10] являлась не Большинство интересных экспериментов (и прилосама БФЛ, а ее „негативное изображение“ — провал в жений) по спектроскопии БФЛ выполнено на БФЛ, спектре поглощения. Весьма узкая линия прозрачности в имеющих однородную ширину порядка 10-100 MHz широкой неоднородной полосе примесного поглощения (10-4-10-3 cm-1) (см. работу [2] и ссылки в ней).

получается методом выжигания устойчивых спектральОбщая формула доплеровского сдвига имеет вид [9] ных провалов (см. работы [11,12] и ссылки в них).

Предельная узость провала (и точность выжигания h V профиля широкого провала желаемой формы) близка к = 0 1 - cos, (1) v однородной ширине БФЛ.

Метод ДС является простым и тем более впечатляюгде 1/ щим, чем меньше ширина провала. В нем нет необходиV 1 -.

мости в традиционной оптической аппаратуре высокого c спектрального разрешения. Узкополосный фильтр, обраЗдесь v — фазовая скорость волны (в дальнейшем зованный выжженным провалом шириной, освещаетh примем v = c); — угол между скоростью V и вол- ся лучом, спектральная ширина которого превышает.

h новым вектором k; V — линейная скорость излучателя За фильтром луч является спектрально узким (порядка относительно наблюдателя, c — скорость света. нескольких ). Он направляется на движущееся зеркало h 6 84 К.К. Ребане (отражающий элемент; в [10] это призма полного отра- и ссылки в ней). Однако для этих переходов и неодножения), отражается от него и возвращается к фильтру с родная ширина, и показатель информативности (T ) inh частотой, сдвинутой от первоначальной на величину весьма малы [16].

В [17] предложен метод получения широкой поло2V сы ( ) с помощью эффекта Доплера:

inh,D inh,D inh = ± 0. (3) c вещество с узкими БФЛ малой неоднородной ширины наносится на вращающийся диск. Линейная скорость Множитель 2 в формуле (3) возникает из-за того, V = r (r —расстояние до центра диска, —угловая что в качестве источника отраженного луча служит скорость вращения) различна для разных точек распомнимое зеркальное изображение оригинального источ- ложения активного вещества. Если создать апертуру, ника. Оно движется со скоростью 2V в сторону (+2V в охватывающую весь радиус диска от 0 до R, то частотформуле (2a)) или от (-2V в (2a)) фильтра. Воз- ный спектр поглощения, как и спектр света, испускаеможность использовать зеркальные отражения и тем мого диском, охватывает доплеровские сдвиги частоты самым уменьшать требуемые механические скорости — (обусловленные скоростью R) от нуля до D(R, ).

преимущество оптических частот перед -частотами в Это равносильно неоднородной полосе поглощения мессбауэровских измерениях. Скорость зеркала можно и излучения D(R, ). Оценки в [18] показывают, менять, а вместе со скоростью вращения меняется и что при вполне достижимых в обычных лабораторных сдвиг. От зависит доля возвращаемого зерка- условиях значениях R,, можно достичь величин лом света, оставшаяся в пределах спектра пропускания =(1000-10 000), т. е. (T ) 1000-10 000. Это inh,D фильтра. В [10] в качестве отражателей использовались уже достаточно широкий диапазон для записи инфорпризмы, прикрепленные к вращающемуся диску. При мации. Далее можно воспользоваться методиками обычлинейной скорости V призмы, двухкратное отражение ной низкотемпературной ПВГ [2,6,13,15]: применить света в ней обеспечивает сдвиг частоты V = 4v · V /c.

выжигание спектральных провалов и схему голограДля линии пропускания (провала в неоднородном по- фической записи с двумя разнесенными во времени глощении) H2-октаэтилпорфина в полистироловой мат- импульсами записи, сохранить информацию, записанную рице при T = 1.5 K измерена полуширина провала в виде измененного комплексного показателя прелом = 0.028 ± 0.006 cm-1, откуда для полуширины БФЛ ления N(, x, y, z ) =n(, x, y, z ) +ik(, x, y, z ), в теh получено значение (1.5K) =0.017 ± 0.004 cm-1. Ре- чение длительного времени (часы, дни, месяцы, годы) гистрируется суммарная интенсивность возвращенного и извлечь информацию, зарегистрированную в любой через фильтр света, зависимость которой от V передает произвольный момент времени интервала записи, путем спектральный профиль провала, что в свою очередь посылки считывающего импульса. Считывать можно содержит сведения о БФЛ.

многократно. Чтобы реализовать ПВГ в полном объеме, Далее приведено несколько вариантов экспериментов т. е. обрабатывать и пространственное распределение по ДС, реализация которых не требует экзотических сигналов, следовало бы иметь доплеровский диск в параметров эксперимента. каждой точке координатного пространства записи. Это 3. В работах [4,6,13–15] (см. также ссылки в них) пред- трудно реализовать с хорошим пространственным разрешением. На одном диске можно реализовать только ложено использовать ДС для экстраполяции от гелиевых часть ПВГ — фотоиндуцированное аккумулированное температур до комнатных интересного в оптической информатике метода — пространственно-временной го- стимулированное световое эхо (см. работы [19,20] и ссылки в них), т. е. голографическую запись и воспроизлографии (ПВГ) (см. работы [13–15] и ссылки в них).

ведение временной зависимости события. Можно, напри Этот перспективный способ записи, долгого хранения мер, записать и многократно воспроизводить вспышку и воспроизведения оптической информации эффективен, таблетки термоядерного материала под лазерным имесли : (T ) (T ) 1, т. е. имеется широкая inh hom пульсом.

неоднородная полоса поглощения БФЛ, содержащая очень много узких БФЛ. В то время как практически Приведенные выше соображения применимы и к лиinh не зависит от температуры, как правило, быстро ниям Мессбауэра. Главное препятствие на пути создания hom уширяется с температурой. Поэтому для подавляющего -информатики, основанной на выжигании спектральных большинства БФЛ (T ) сильно убывает с температурой; провалов (даже в простейшем варианте), состоит в уже при температуре жидкого азота (а тем более при трудности осуществления процесса выжигания. Однако комнатной) (T ) составляет величину порядка едини- в случае изомерных ядер (например, Th), возможно, и цы или нескольких единиц, и информативная емкость существует „слабый свет в конце тоннеля“ [17]. Для ничтожно мала. голографических вариантов требуется также достаточно С другой стороны, бывают случаи, когда величи- долгое сохранение когерентности, что в -переходах весьма трудно осуществить.

ны (T = 50-300 K) малы. Для обычных оптических hom БФЛ это бывает редко. Исключение составляют некото- 4. Детальное теоретическое рассмотрение форрые переходы в редкоземельных ионах (см. работу [16] мы БФЛ показывает, что ее контур несколько отличается Физика твердого тела, 2007, том 49, вып. Доплеровская спектроскопия бесфононных линий от лоренцовой формы: имеется незначительная асим- и иными средствами, основанными на других явлениях, метрия, направленная в БФЛ поглощения и излучения дающих изменение частоты. Однако следует помнить по частоте в разные стороны, — нечто аналогичное о том, что доплеровский модулятор обладает принцистоксовому сдвигу [21]. Величина асимметрии была пиальным преимуществом: он никак не вмешивается настолько мала (при гелиевых температурах для БФЛ в ход процессов внутри излучающей и поглощающей шириной около 10 Hz она составляла величину поряд- молекулы (примесного центра) и также, вероятно, не ка 50-100 Hz), что об экспериментальной проверке в вносит существенных дополнительных усложнений в то время, когда разрабатывалась теория (30 лет тому процесс отражения света от движущегося зеркала по назад), не было и речи. сравнению с отражением от неподвижного зеркала.

Теперь можно предложить следующую постановку 6. Из общих соображений следует, что ДС моэксперимента на основе ДС. Луч люминесценции часто- жет существенно повысить эффективность метода ты БФЛ направляется через образец того же вещества, спектрально-селективного возбуждения люминесценот которого этот луч был получен. Резонансно погло- ции [23,24]. Этот метод неудобен именно в применении щается вся БФЛ люминесценции, за исключением длин- к излучению в БФЛ: при спектрально избирательном новолнового хвоста, обусловленного асимметрией БФЛ возбуждении БФЛ возникает сильный фон рассеяния на люминесценции по сравнению с БФЛ поглощения. В экс- частотах БФЛ, чрезвычайно затрудняющий детектироперименте можно, конечно, в течение длительного вре- вание люминесценции этих линий. Метод селективномени накапливать в стационарном режиме прошедшее го возбуждения прекрасно зарекомендовал себя в тех очень слабое свечение на хвосте БФЛ поглощения и случаях, когда измерению подлежит только фононное надеяться измерить асимметрию. крыло люминесценции. Однако существуют системы, Привлекая ДС, можно поступить более эффективно, где фононное крыло является весьма слабым. Тогда ДС во-первых, сдвинуть при помощи эффекта Доплера ча- позволяет значительно усовершенствовать метод именстоту излучения или поглощения на величину, обес- но для изучения БФЛ. При этом, если БФЛ узка, печивающую полную непрозрачность образца. Будет ДС является особенно эффективной. При ширине линии обеспечен нулевой фон для измерения проходящего около 1000 Hz нужный доплеровский сдвиг получается света. Во-вторых, модулировать поглощение или излу- при скоростях, составляющих несколько сантиметров в чение при помощи доплеровского сдвига с частотой, секунду.

удобной для детектирования, и амплитудой скорости, достаточной для того, чтобы в определенном промеСписок литературы жутке фазы модуляции свет немножко „выглядывал“ изза края полного поглощения. Сигнал является слабым, [1] К.К. Ребане. Элементарная теория колебательной струкно спектрально узким, модулированным подходящей для туры спектров примесных центров кристаллов. Наука, М.

детектирования радиочастотой на нулевом фоне. Соот(1968); K.K. Rebane. Impurity spectra of solids. Elementary ношение сигнал/шум было бы многократно увеличено в theory of vibrational structure. Plenum Press, N. Y.-London сравнении со стационарным экспериментом. (1970). 253 p.

[2] K.K. Rebane. J. Lumin. 100, 219 (2003).

5. В голографической информатике, например в ПВГ [3] K.K. Rebane. J. Chem. Phys. 189, 139 (1994).

и ее приложениях, важную роль играет интерференция [4] К.К. Ребане. Тр. ИФ АН ЭССР 59, 7 (1986); K.K. Rebane.

световых волн разной частоты.

In: Zero-phonon lines and spectral hole burning in В [22] рассмотрена интерференция фотона „с самим spectroscopy and photochemistry / Eds O. Sild, K. Haller.

собой“. Фотон, излученный одиночной примесной молеSpringer-Verlag (1988). P. 1.

кулой, разделяется на две части, каждая из которых про[5] В.В. Хижняков, К.К. Ребане. Опт. и спектр. 14, 362; ходит свой оптический путь. Концы путей соединяются, (1963).

„половинки“ встречаются, и рождается интерференция.

[6] K.K. Rebane, A. Rebane. In: Molecular electronics, proОптические пути для частей имеют неодинаковую длину, perties, dynamics and applications / Eds G. Mahler, V. May, величина различия сканируется. Измеряются корреляM. Schreiber. Marcel Dekker, N. Y. (1996). Ch. 13. P. 257.

ции в фотоне как пакете мод светового поля. [7] K. Rebane, I. Rebane. J. Lumin. 56, 39 (1993).

Представляет интерес дополнить схему опыта поме- [8] Е.Д. Трифонов. ДАН СССР 147, 826 (1962); Е.Ф. Гросс, Б.С. Разбирин, С.А. Пермогоров. ДАН СССР 147, дением в одно плечо схемы некого элемента, например (1962); Е.Ф. Гросс, С.А. Пермогоров, Б.С. Разбирин. ДАН движущегося зеркала, вызывающего доплеровский сдвиг СССР 154, 1306 (1964).

частоты света в этом плече, т. е. для одной „половинки“ [9] Физическая энциклопедия. М. (1990). Т. 2. С. 15.

фотона.

[10] К.К. Ребане, В.В. Пальм. Опт. и спектр. 57, 381 (1984).

Представляется интересным изучить, как влияют на [11] A. Rebane. In: Trends in Optics, research, developments and картину интерференции величина доплеровского сдвига, applications / Ed. A. Consortini. Academic Press (1996).

число отражений от зеркала, коэффициент отражения P. 165–188; A. Rebane. Ultrafast time-and-space-domain зеркала, скорость V и т. п.

holography by spectral hole burning in dye-doped polymers.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.