Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Спектроскопия одиночных молекул (СОМ), новое направление тонкоструктурной лазерной спектроскопии, предполагает изучение одиночных квантовых систем (молекул) в отсутствие ансамблесего усреднения. Подобное усреднение, неизбежно присутствующее D традиционных методиках {спектроскопия сужения полос флуоресценции (Fluorescence Line Narrowing) и спектроскопия выжигания провалов (Persistent Spectral Hole Burning)), делает принципиально невозможным наблюдение некоторых процессов внутри- и межмолекулярной динамики примеси. Таким образом, результаты, полученные с применением СОМ, приобретают первостепенную фундаментальную значимость как для решения проблем современной спектроскопии, так и в контексте исследований, относящихся к квантовой оптике и квантовой электродинамике. Заметим, что универсальность данной методики остается на сегодняшний день весьма ограниченной в силу узости круга возможных объектов исследования, и проблема поиска новых примесных молекулярных систем для СОМ представляется весьма актуальной.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Основные исследования, результаты которых вошли в диссертацию, проводились в Центре Молекулярной Физики Оптического и Радиодиапазона Университета Бордо-1 (Франция) и в НИЛ молекулярной фотоники Отдела физики преобразования информации физического факультета Белгосуниверситета в соответствии с договором о сотрудничестве между БГУ и Университетом Бордо-1. Работы в БГУ велись по программе Минобразования РБ «Низкоразмерные системы» (1996 — 2000 гг.) в рамках темы 02.11. «Исследовать механизмы фотофизических процессов в молехулярных ансамблях на границах раздела в ультрадисперсних средах».
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы являлось.
1. Разработка новых систем примесь—матрица, для которых возможна регистрация сигнала одиночного центра активатора; о частности, поиск объектов для СОМ с частотой электронного перехода
примеси, лежащей в синей и ИК областях спектра, а таюке обладаю
щих высокой фотостабильностью и обеспечивающих возможность
долговременных экспериментов по СОМ при высоких интенсивностях
возбуждения. "
2. Исследование с применением методов СОМ фотофизических процессов, изучение которых традиционными методами селективной спектроскопии, основанными на регистрации сигнала от больиюго молекулярного ансамбля, невозможно либо затруднено. В частности, предполагалось решение следующих задач:
выявление связи спектральной диффузии с процессами реорганизации структуры микроокружения одиночной молекулы красителя;
обнаружение гетерогенности примесных центров по таким спектроскопическим параметрам, как однородная ширина спектральной полосы, фотостабильность молекул активатора и др., выяснение механизмов, ответственных за неоднородность системы по саоиы спектроскопическим характеристикам;
установление корреляционными методами констант скорости интеркомбинационных переходов для систем с экстремально низким выходом триплетного состояния и параметров релаксационных
' процессов в системе примесь— локальное окружение;
наблюдение квантово-оптических эффектов для одиночных при
месных центров в сильных резонансных полях (нелинейное по об
ратной отстройке зондирующей волны динамическое штарковское
смещение, субгармонические резонансы и гиперрамановское рас
сеяние) и выяснение возможности описания данных фотопроцес
сов для одиночной молекулы, изолированной в конденсированной
матрице, s рамхах уравнений блоховского типа.
Научная новизна полученных результатов.
-
Впервые для конденсированных сред наблюдался эффект гипср-рамановского рассеяния.
-
Обнаружена нелинейность динамического штарковского сдвига, а таюке субгармонические резонансы для одиночных молекул в сильных резонансных полях.
-
Предложены новые системы для СОМ:
активированный дибензотерриленом (ДБТ) кристалл нафталина — объект с наивысшим из известных на настоящий момент
уровнем флуоресцентного сигнала одиночного центра активатора (до 0,5 млн имп/с). Данная примесная система является, кроме того, единственным на сегодняшний день объектом для СОМ в ПК области;
перилен в матрице дурола — уникальная по фотостабильнссти
система для синей спектральной области;
дибензантантрен (ДБАТТ) в матрице нафталина — система, от
вечающая совокупности жестких требований в контексте воз
можности наблюдения квантово-опгических эффектов в силь
ных резонансных полях.
-
Впервые обнаружена гетерогенность молекулярных центров, изолированных в низкотемпературной матрице, по скорости радиационного распада .V, состояния.
-
Для одиночных молекул перилена в матрице дурола обнаружены фотоиндуцированные спектральные прыжки в частотном интерзале, сопоставимом с однородной шириной спектральной полосы примеси, являющиеся свидетельством существования обратимых структурных перестроек матрицы в окрестности активатора.
Практическая значимость полученных результатов.
Результаты по поиску новых систем для СОМ позволяют существенно расширить круг объектов, изучение которых возможно на уровне одиночных молекул. Регистрация одиночных молекул ДБАТТ с полосой S„ -» St перехода, лежащего в ИК-области спектра, открывает путь к использованию дешевых (в сравнении с узкопопосными лазерами на красителях) полупроводниковых перестраиваемых лазеров, что в перспективе может сделать исследования по СОМ доступными широкому кругу лабораторий.
Изложенные в работе результаты по регистрации квантово-огггических эффектов в сильных резонансных полях показывают принципиальную возможность исследования широкого круга ранее экспериментально не наблюдавшихся з конденсированных средах эффектов квантовой электродинамики (в частности, угкоразомаксных процессов, обусловленных взаимодействием примесного центра с несколькими переменными полями).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Фотофизические процессы для одиночной полициклической молекулы в конденсированной матрице в присутствии сильных резонансных полей количественно описываются в рамках оптических уравнений Блоха.
-
Результаты по регистрации гиперрамановского рассеяния являются свидетельством возможности реализации в конденсированной среде оптического усиления без инверсии.
-
Продемонстрирована возможность наблюдения эффектов нелинейного динамического штарковского смещения и субгармонических резонансов для таких сложных, в сравнении с атомами или ионами, объектов, как конденсированные молекулярные системы.
-
Результаты исследования индивидуальных (т. е. наблюдавшихся в отсутствие ансамблевого усреднения) фотофизических характеристик полициклических молекул, изолированных в низкотемпературных полиароматических матрицах, и их интерпретация на основе теории примесного центра в кристалле и теории взаимодействия резонансного излучения с многоуровневой системой.
Личный вклад соискателя.
Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. М. Оррит и И. М. Гулис принимали участие в постановке задачи и обсуждении результатов исследований. М. Орри-том была разработана методика численного решения системы бло-ховских уравнений для двухуровневой системы в резонансных полях.
Апробация результатов диссертации.
Результаты работы докладывались на Международной конференции по спектроскопии одиночных молекул (Аскона, Швейцария, 1996), Конференции Американского Химического Общества (Сан-Франциско. США, 1997).
Опубликованность результатов.
Основные результаты работы опубликованы в 4 статьях.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, шести глав, выводов и изложена на 170 страницах машинописного текста, включая 48 рисунков, 2 таблицы и список использованных источников, содержащий 109 наименований.
