Версия для печати

На ЛСЭ обнаружен неожиданный эффект в экспериментах с терагерцовым излучением

На ЛСЭ обнаружен неожиданный эффект в экспериментах с терагерцовым излучением

02 декабря 2016

Исследователи Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и Института физики микроструктур РАН
(Нижний Новгород) провели серию экспериментов с германиевыми полупроводниками на лазере
на свободных электронах Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения
и выяснили, что динамика релаксации возбуждений отличается от теоретических предсказаний.

Российско-немецкая группа исследователей изучает свойства полупроводниковых структур под воздействием электромагнитного излучения терагерцового диапазона.Специалисты исследовали образцы легированного сурьмой германия на лазерах на свободных электронах в Новосибирске и в Дрездене. «Согласно теории каскадной релаксации, чем выше вы забрасываете электрон, тем дольше потом он опускается вниз по квантовым уровням, — рассказывает научный сотрудник ИФМ РАН кандидат физико-математических наук Роман Хусейнович Жукавин. — Но результат, который мы получили, показал, что забрасывание электрона или перевод его на более высокие уровни (по крайней мере, на том материале, с которым мы работаем), приводит к ускорению его возвращения. Это фактически говорит о том, что электрон совершенно не расположен спускаться вниз ступенька за ступенькой, а скорее склонен перепрыгивать через нижележащие уровни и возвращаться непосредственно на тот из них, с которого его возбудили. Когда исследователи рассчитывают отклики каких-то детекторов, они должны учитывать этот эффект». Похожие результаты были получены в Дрездене на установке FELBE.

По словам учёного, у проекта было несколько целей. Первая из них — дать дополнительную возможность различным исследовательским группам использовать новосибирский ЛСЭ. «Для России это уникальная установка, на которой можно получить много результатов, — отмечает Роман Жукавин. — С нашей стороны было предложение построить измерительный стенд. В дальнейшем им могут пользоваться не только физики, но и химики, биологи, если их задачи лежат в терагерцовом диапазоне и им интересно, насколько быстро некая среда восстанавливает свои свойства после того, как её возмутили».

Конкретной задачей ИФМ РАН было исследовать полупроводники как с точки зрения улучшения свойства детекторов в терагерцовом диапазоне, так и для получения знания о временах релаксации. Последнее очень важно для науки и её практических приложений. «Если кто-то заинтересуется, можно ли из какого-либо материала в терагерцовом диапазоне сделать лазер, он обязан измерить времена релаксации», — говорит исследователь. В этот раз на ЛСЭ были изучены образцы легированного сурьмой германия. Измеряя кристаллы, приготовленные разными методами, учёные смогли проверить, насколько быстрый отклик те имеют.

Для проведения этой серии экспериментов сотрудники ИФМ РАН и ИЯФ СО РАН в рамках гранта Министерства образования и науки РФ создали на ЛСЭ новую пользовательскую станцию «Накачка-зондирование». Станция позволяет исследовать поведение разных образцов вещества после возбуждения при их охлаждении вплоть до температуры жидкого гелия.

«Это даёт возможность видеть динамику материалов, когда они возбуждаются коротким импульсом терагерцового излучения, смотреть, как это состояние релаксирует после возбуждения с помощью второго луча, который отщепляется от первого и посредством двух уголковых зеркал задерживается относительно него», — комментирует главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Борис Александрович Кнзяев.

По словам учёного, терагерцовый сейчас является одним из самых исследуемых диапазонов в мире, поскольку в нём лежат энергии переходов многих биологических молекул, взрывчатки и часть материалов, которые не являются прозрачными в видимом диапазоне. Например, для терагерцового излучения частично прозрачна одежда, поэтому его сегодня пытаются применить для создания систем контроля безопасности в аэропортах.Также оно используется для изучения предметов искусства, например, позволяет видеть нижние слои картин (что невозможно с помощью рентгена), есть у терагерцового излучения и перспективы в лечении рака кожи. «В настоящее время эта сфера находится в развитии, ещё далеко не все предложения найдены», — заключает исследователь.

На сегодняшний день в терагерцовом диапазоне новосибирский лазер на свободных электронах является самым мощным в мире. На нём сейчас имеется около семи рабочих станций, на которых трудятся пользователи из самых разных городов России и даже зарубежья (Южная Корея, Германия). Преимуществом новосибирского ЛСЭ является возможность быстрой и плавной перестройки по длинам волны излучения. «Каждый электрон находится на своем основном уровне, для перехода в возбужденное состояние ему необходим определенный квант энергии, которому соответствует конкретная длина волны. ЛСЭ позволяет задать определенную длину волны излучения и посмотреть, как себя ведет каждый электрон. Когда мы слышим оркестр, это красиво, но мы не знаем, кто именно сейчас играет. Наш ЛСЭ позволяет слушать игру каждого инструмента в отдельности и разложить мелодию по всем октавам, – комментирует младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Юлия Юрьевна Чопорова.

«Наука в Сибири»