Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда




Скачать 393.08 Kb.
НазваниеСелективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда
страница1/5
Дата публикации06.10.2014
Размер393.08 Kb.
ТипАвтореферат
shkolnie.ru > Физика > Автореферат
  1   2   3   4   5

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ МОЛДОВА

Институт прикладной физики


На правах рукописи


КОВАРСКИЙ

Евгений Викторович

Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда.




(Специальность - Оптика )

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени доктора

физико-математических наук

Кишинев – 2000 г.

Работа выполнена в лаборатории Физики низких температур Института Прикладной физики Академии наук республики Молдова и
Comision Chilena de Energia Nuclear


^ НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:
Академик АН РМ, доктор физико-математических наук,

Профессор Д.В.Гицу


ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
Доктор физико-математических наук,___________________________
Доктор физико-математических наук,___________________________

^ ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

Защита диссертации состоится “_____” “____________” ______ г.

в _______ часов на заседании Специализированного Совета ___________________________________________________________ по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Инстиуте Прикладной физики Академии Наук Республики Молдовы (Молдова, Кишинев, ул. Академическая 5).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АН РМ.
Автореферат разослан “_____” “____________” ______ г.

Ученый секретарь

Специализированного совета
^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Среди множества известных систем с дискретными энергетическими уровнями, физические свойства которых можно в первом приближении теоретически и экспериментально изучить, используя двух или трех уровневые модели, особое место занимают атомные системы. Вместе с тем изучение простых (двухатомных) молекул или даже таких сверхсложных молекул, какой является молекула ДНК, также базируется на приближении заданного дискретного квантового перехода. При изучении квантовых переходов в твердом теле дискретные свойства особенно известны при изучении зона - зонных переходов, а так же изучении свойств донорно-акцепторных примесей в полупроводниках и в других проявлениях дискретности энергетического спектра таких, например, как размерное квантование, особенно яркое в тонких пленках, квантовых проволоках и других специально подготовленных объектах исследования. Расширение объектов исследования учитывает новые качественные особенности, вносимые в обычные двухуровневые переходы. Среди этих особенностей едва ли не первое место занимает наличие в системах постоянных дипольных моментов активно взаимодействующих с внешними электромагнитными (ЕМ) полями. Именно эти взаимодействия приводят к усложнению картины нелинейных процессов в таких казалось бы разнородных объектах как специально выбранные атомы, молекулы и полупроводники. Селективные методы возбуждения таких систем базируются на специально выбранных теоретических и экспериментальных моделях использующих квантовые переходы из основного состояние системы в возбужденное состояние, которое участвует в дальнейшем в создании заряженных систем с переносом заряда.
^ Цель работы. Настоящая диссертационная работа посвящена изучению следующих вопросов:

Исследовать оптическое селективное возбуждение изотопов Лития в атомарно-молекулярном газе с переносом заряда.

Исследовать оптическое селективное возбуждение сложных органических молекул с переносом заряда.

Исследовать процесс переноса заряда в размерно-ограниченных полупроводниках.
Научная новизна работы

Изучен селективный механизм лазерного возбуждения одного из двух близких по массе изотопов атома Лития с последующей ионизацией и разделением по методу масс-спектроскопии. В замкнутом объеме с двухкомпонентным газом обнаружено сильное конкурирующее влияние столкновительной резонансной ассоциативной ионизации атомов Лития. При достигнутых экспериментальных условиях зарегистрировано образование низкоплотной плазмы. Приводится теоретическая оценка исследуемых процессов (см. электронную версию E.Kovarski ,Report, eprint archive, www. aps.org )

Впервые открыт экспериментальный метод оптического возбуждения сложных биологических молекул ДНК высокоинтенсивным лазерным излучением видимого диапазона, когда существует преобразование электромагнитной волны в ультрафиолет внутри биологического объекта за счет генерации второй гармоники на молекулах. В качестве приемника использован штамм бактерий. Изучен метод селективного возбуждения ДНК через краситель “Акридин оранжевый”. По электрическим свойствам фрагментов ДНК установлено образование разрывов нитей. [В журналах: “Электронная обработка материалов” 6,67,(1981); “Известия Академии Наук Молдовы, серия физ-мат.” 1,67,(1985); “Биофизика”, XXIII,2,242,(1988); Physics Letters A, 226,321,(1997).]

Изучено селективное управление электрическими свойствами твердого тела за счет использования дискретного энергетического спектра. Впервые показано, что в Ge - проволоках с диаметром 10 – 5 см. из-за квантования поперечного движения электрона термоэдс увлечения может в 100 раз превышать обычную термоэдс при Т= 10 К несмотря на то, что величина термоэдс электрон-фононного увлечения весьма критична к выбранному теоретическому механизму для времени рассеяния. [В журнале Физика Твердого Тела, 19,3, 905-907б (1977)].

Созданы лазерные экспериментальные установки, одна из которых в Чили (1996-1998 гг. – по лазерному разделению изотопов), в Кишиневе (1981-1983 гг.) и С.Петербурге (1978-1980 гг.) на базе авторской разработки одного из первых в стране оригинальных пикосекундных лазеров, в том числе в Кишиневе по заданию ГКНТ [см. Препринт Института Генетики Академии Наук Молдовы, 1985 ].


Основные положения выносимые на защиту.
Показано, что процессу селективного возбуждения 2S-2P перехода в атомах Лития с последующей оптической ионизацией с уровня 2P, сопутствует столкновительная ионизация возбужденных атомов Лития с образованием молекулярных ионов и электронов, что приводит к перераспределению генереруемых зарядов и к образованию низкоплотной плазмы в замкнутом объеме.

Показано, что оптическое возбуждение сложных биологических молекул в области прозрачности светом высокой интенсивности в видимом диапазоне приводит, в результате, к объяснению биологического действия видимого излучения такими нелинейными процессами, как генерация оптических гармоник и (или) двухфотонным поглощением в области ультрафиолета.

Показано, что в размерное квантование энергии носителей, проявляющееся в тонких проволоках, оказывает селективное действие на перенос зарядов в эффекте электрон-фононного увлечения.
^ Практическая ценность работы характеризуется следующими положениями:

Представленные результаты по механизмам селективного лазерного возбуждения атомных дискретных уровней с последующим переносом заряда приводит к практическому использованию лазерного разделения изотопов и к дальнейшим работам по лазерному охлаждению атомов вплоть до температур образования атомного Бозе-Эйнштейновского конденсата, когда становится возможным изучение материальных волн.

Изучение нелинейно-оптических процессов в сложных молекулах приводят к возможности использования генерации гармоник в области прозрачности молекул и двухфотонному поглощению с учетом переноса возбуждения на генетически важные молекулы. Впервые предложен бесконтактный способ определения крахмальных форм по различной эффективности генерации оптических гармоник

Представленные результаты по изучению размерно-ограниченных полупроводников имеют технологическое применение для создания высокоэффективных малогабаритных полупроводниковых термоэлектрических элементов и могут быть положены в основу для изучения эффекта электрон-фононного увлечения в квантовых проволоках.

В созданных автором лазерных экспериментальных установках применены методы по выделению одной продольной моды лазерного излучения. Создан лазер с выделенным одиночным пикосекундным импульсом для применения в нелинейной оптике. Создан одномодовый перестраиваемый лазер на красителях для применения в лазерном разделении изотопов.
^ Апробация работы.

Полученные результаты нашли отражение в серии самостоятельных и совместных журнальных публикаций и в материалах международных симпозиумов. Материалы работы докладывались на конференциях Чилийского Физического Общества (SOCHIFI) в 1998 и 1996 г.г., на Латиноамериканских сипозиумах по плазме (Аргентина 1998г.), оптике и лазерам (Куба, 1995), многочисленных всесоюзных и республиканских конференциях. Автором опубликовано 8 самостоятельных работ, в том числе в журнале Физики Твердого Тела и в монографии, которая размещена в Американском Физическом Обществе [Evgueni V. Kovarski, см. aps.org, eprint (aw6329 PhysRev A)]. Основные результаты работы опубликованы в более, чем в 20 публикациях, список которых приводится в конце реферата.
Объем работы. Дисертация состоит из четырех оригинальных глав, заключения, и списка цитируемой литературы (______ библиографических ссылок).
^ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассматриваются селективные методы возбуждения атомных изотопов Лития.
В настоящей главе представлены авторские результаты по селективному возбуждению изотопов Лития. В первой части рассматривается теоретическое и экспериментальное изучение селективной ионизации Лития на основе спектроскопических исследований.

Изучение селективного поглощения в атомных системах имеющих дискретные энергетические уровни энергии рассматриваются на примере квантового перехода 2S-2P атомов Лития, а точнее двух его изотопов с атомными массами 6 и 7. Небольшое отличие в массе приводит к тому, что уровни энергии 2Р1/2, 2Р3/2 расположены с соответствующим сдвигом относительно 2S уровня, как показано на Рис. 1.1., [1]. Таким образом, в приближении двухуровневой системы, в рассматриваемых атомах существуют несколько квантовых переходов, приводящих в спектральных исследованиях к 4 линиям, две из которых практически перекрываются, как показано на Рис. 1.2. , [1], где все линии имеют допплеровское уширение. Вместе с тем, расстояние между линиями порядка 10 Ггц позволяет селективно оптически возбуждать один из изотопов, не затрагивая другой, даже при уширениях спектральных линий порядка 2 Ггц. Для этого необходимо использовать специально подготовленные лазерные источники, что было сделано автором при создании экспериментальной установки показанной на Рис. 1.3, [1,2]. В результате, один из изотопов может находиться в одном из возбужденных состояний 2Р в течение 27 нсек. В настоящей главе исследуются два процесса получения заряженных состояний. Первый процесс относится к процессу ионизации возбужденного 2Р уровня и, следовательно, к получению положительного иона заданного изотопа. Второй процесс, обнаруженный автором, конкурирует с первым процессом в определенной области температур и относится к столкновительным процессам, в которых участвуют резонансно-возбужденные атомы. Этот столкновительный процесс приводит также к образованию заряженных систем, как в результате неупругих столкновений, так и в результате процесса сходного с так называемой ассоциативной ионизацией, в результате которой могут образовываться положительно заряженные двухатомные молекулы и электроны. Электрические измерения без специально приложенного дополнительного напряжения к цилиндрическим электродам коаксиальной металлической печи с окнами для оптического возбуждения газа находящегося при высокой температуре (Рис. 1.3.), показали, что можно выделить температурную область, где два вышеприведенных механизма различаются экспериментально, (Рис.1.4.). Процесс резонансной ионизации приводит к перераспределению зарядов в замкнутом объеме. Поэтому коаксиально расположенные лучи лазеров могут рассматриваться в возбуждаемом объеме газа, как третий «электрод», генерирующий заряды. Перераспределение зарядов ведет к образованию электрически нейтральной низкоплотной плазмы [1А].Спектральные исследования и теоретические модели для атомного Лития хорошо известны в литературе [8-29], в том числе на коллимированных атомных пучках [8], когда удается избежать допплеровского уширения линий, но не удается, однако, измерить с высокой точностью естественную ширину лоренцевской линии поглощения. Применение метода резонансно-ионизационной спектроскопии Лития по-видимому впервые были опубликованы в работе [9], где впервые показана зависимость ионизационного тока от длины волны лазера на красителе. В то же время это была первая работа, в которой открыто было сказано о возможности применения метода в лазерном разделении изотопов Лития. Двумя годами позже был опубликован патент США [10]. Подробное исследование зависимости процесса резонансной ионизации от интенсивности различных лазеров было дано в работе [11]. Вместе с тем эффективность процесса лазерного разделения изотопов не обсуждается в литературе и в реальных условиях отличается от данных патента [10]. Поскольку Литий очень активно взаимодействует с кислородом, то обычно эксперименты проводятся в атмосфере инертного газа, например в атмосфере Аргона. Интересно, что применение Литий-Аргоновой контактной ионизации также применяется для разделения изотопов методом ионно-циклотронного резонанса [12]. Не обсуждая эффективность тех или иных методов по разделению изотопов заметим, что газообразный Литий получается из металлического состояния при существенном нагревании, поэтому требуемой для повышения эффективности процессов высокой концентрации Лития соответствуют высокие температуры и, следовательно, наблюдаются допплеровски уширенные спектральные линии (Рис.1.2). В области температур не превышающих 1000 К в газе могут находится как атомы, так и молекулы Лития [13], поэтому важным инструментом является одновременный спектроскопический контроль содержания молекул в газе. Вместе с тем, атомарный Литий при возбуждении видимым светом с длиной волны 671 нм хорошо излучает и по рассеянному излучению этой же длины волны можно даже без особых приборов настроиться на резонанс одной из двух линий соответствующих спектральному изотопическому сдвигу [14], показанных на Рис.1.2. для двух изотопов. Нужно заметить, что в экспериментах применялась высокоточная техника определения длины волны и проводилось измерение ширины линии излучения лазера на красителях. Кроме этого, однако, использовались два полупроводниковых лазера со сканированием длины волны и шириной линии 100 Кгц (Рис. 1.3). Известно, что допплеровски уширенные спектры могут быть аналитически изучены, если применить к ним функциональный анализ соответствующий распределению Войта и содержащий в себе параметры как функции Гаусса, так и функции Лоренца. Получая ширину лоренцовой линии можно с высокой точностью, как показал автор [1 А,В,С], получить представление об атомных столкновениях. Несмотря на это, однако, специальные эксперименты и теория являются необходимыми для полного представления о происходящих процессах [15-18,30,31]. Из спектров представленных на Рис. 1.2. автором были получены путем функционального анализа ширины лоренцовых линий порядка 95 МГц, при тепловых скоростях в литий-аргоновой смеси порядка 1600 м/сек. Используя результаты функционального анализа изучаемых войтовских спектров и соответствующую зависимость коэффициента поглощения [1 А,В,С], была определена концентрация для изотопа 6, составляющая 2,25  1010 см – 3, а также для изотопа 7, составляющая 27,651010 см – 3 с отношением концентраций 0,08135, что соответствует природному содержанию обоих изотопов в натуральном Литии [33]. Концентрация Аргона в экспериментах была примерно 1017 ат/см 3.
Оценка столкновений проводилась в приближении прямых траекторий между двумя сталкивающимися частицами ( r =  + vt), где  - импакт параметр (прицельное расстояние), v – относительная скорость . В предположении, что длительность столкновений много меньше, чем время между столкновениями и упругие столкновения проявляются только в фазовом (частотном) сдвиге, автором была принята модель дальнодействующего потенциала Леннарда-Джонса в простом выражении С6 /r6, где использовались коэффициенты С6 = 1390 а.е. = 1,330786  10 – 76 КВм6 [19] для 2S-2S взаимодействия и С6 =1406 а.е. [21] для 2S – 2P взаимодействующих атома Лития, один из которых находится в состоянии с отличающимся угловым моментом. В связи с тем, что эти значения довольно близки, но зарегистрированная экспериментально ионизация Лития при столкновениях зависит от резонансного возбуждения, автором был выбран коэффициент для 2S-2P взаимодействия [21], поскольку сначала предполагалось, что возбужденные атомы Лития взаимодействуют с невозбужденными атомами Аргона. Смещение максимума спектральной линии  и уширения лоренциана Г определяются по формулам [34]:
 = 2, 91 С6 2 / 5  v 3 / 5  N Ar (1.1)
Г = 8,16  С6 2 / 5  v 3/ 5 N Ar (1.2)
Полученная из формулы (1.2) ширина лоренциана для изотопа 6 при заданной температуре составляет 98,2 МГц, а соответствующая величина уширения полученная путем функционального анализа войтовского спектра составляет 94,92 МГц. Такое же хорошее соответствие имеется для второго изотопа Лития. В связи с этим из результатов функционального анализа спектров поглощения возможно определить коэффициент С 6.
Измеряя сдвиг максимумов линий поглощения от температуры и давления с учетом влияния эффекта Допплера (16 Ггц при температуре 650 К), автор получил зависимости 0,0126 МГц./К. или 1,26 МГц /тор. Для ширины лоренцовой линии зависимость от температуры есть Т 0,3, которая дает результат для влияния давления на ширину линии 3,53 МГц /тор. Импакт параметр и сечение столкновений    2
  1   2   3   4   5

Похожие:

Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда iconЭмиссионные методы диагностики наноматериалов и структур
В зависимости от процесса возбуждения и эмиссии ниже представлена классификация эмиссионных методов многопараметрового анализа. Катодолюминесцентные...
Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда iconВопросы и задания для самостоятельной работе по теме: ч то такое...
Электрический заряд. Величина заряда, единицы измерения. Квантование заряда. Точечный, распределенный и пробный заряд. Объемная,...
Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда iconЦифровые фильтры и их характеристики
Цф относятся к классу линейных дискретных систем, взаимосвязь между входным и выходным дискретными сигналами в которых определяется...
Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда iconЗадача моделирования и ее решение в теории и практике проектирования систем
Современные методы редукции систем и их применение к задачам анализа и синтеза систем
Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда iconМария Корнева, Виктор Кулигин, Галина Кулигина
Введение. «Рождение» заряда. Модель рождения Потенциал движущегося заряда. Потенциалы Льенара-Виехерта. Опережающий потенциал. Мгновенное...
Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда iconЛабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы
Цель работы: изучение процесса возбуждения атомов инертного газа электронным ударом и измерение первого потенциала возбуждения
Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда iconПлан-конспект урока методы решения систем уравнений
Просмотр анимированного ролика со звуком, в ходе которого учащиеся повторяют алгоритм решения систем способом сложения
Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда iconЭлектрический заряд сущность
Принята и единица заряда – Кулон, которая выражает определённую величину количества электричества. Наименьшим количеством электричества...
Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда iconЭмиссионные методы диагностики наноматериалов и структур
При этом для каждого типа источника необходима и собственная техника эксперимента, учитывающая специфику взаимодействия излучения...
Селективные методы возбуждения систем с дискретными энергетическими уровнями и переносом заряда icon1. Понятие, сущность и значение стадии возбуждения уголовного дела
Понятие, сущность и значение стадии возбуждения уголовного дела. Поводы и основания для возбуждения уголовного дела
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
shkolnie.ru
Главная страница