Введение к работе
Актуальность теки. Двухуровневая система (ДУС) - один из прос-тзйаих квянтово-мэханнческих объектов. Спектр ее состоит всего из двух уровней, мзжду которым могут происходить переходи под воздействием внешнего переменного поля. Примером такой системы является спин электрона, помещенный в-магнитное поле.
Несмотря на свою простоту, модель ДУС нашла обширное применение в физике твердого тела. В порвуи очередь это относится зі явлениям магнитного резонанса. Роль двухуровневой системы выполняет при этом примесный атом, в оболочке которого, имеется наскои .ненро-ванный спин.
Позже с появлением лазеров модель ДУС стала широко использоваться для описания нелинейных оптических явлении, в молекулярной спектроскопии.
.В последние годы, однако, круг объектов, содержащих двухуровневые системы, существенно расширился.' В первую очередь это стекло. Существований ДУС в диэлектрических стеклах было постулировано Андерсоном, Гальпериным, Варной и Филипсом в 1972 г. для объяснения аномальной тeї,'ЯвpaтypїIC.', зависимости теплопроводности к теплоемкости при температурах Т ниже'I К. Последующие многочисленные эксперименты дали неопровержимые доказательства езтаествованпя ДУС в диэлектрических стеклах,.полимерах, супориокиках и многих других объектах. В 1978-г. ДУС были обнаружены в металлических стеклах.
Появление на эксперименте новых объектов потребовало и разработки соответствующих теоретических представления. Поначалу.теория ,ДУС в стеклах развивалась путам заимствования известных результатов из физики магнитного резонанса. Этого оказалось достаточно для объяснения линейных явлений. Однако довольно рано, yse при небольших интексивностях в стеклах начинают проявляться нелинейные эффекты. Так, резонансное поглощение звука становится зависящим от иктгн -сивности ужа при интенсивности порядка 10 Вт/см. Выяснилось, что важную роль при этом, играет взаимодействие ДУС и связанное с ним явление спектральной диффузии. Последнее было впервые проанализировано Клаудером и Андерсоном еще в 1962 г. применительно к задачам магнитного- резонанса. Однако последовательная теория нелинейных резонансных явлений с учетом спектральной диффузии ч физике маг -нитного резонанса отсутствовала. Существовал лишь подход, осневзн-
тш на уравнениях Блоха для средней намагниченности примесного центра. Спектральная диффузия в бтих уравнениях "учитывалась" путем введения соответствующим образом подобранного времени релаксации Гг для поперечных компонент спина.
Полностью оставался открытым вопрос и о роли спектральной диффузии в стеклах в явлении типа узкого фононного горла, хорошо известного в физике парамагнитного резонанса. Отсутствовала теория квантовых явлений в нерезонансном поглощении двухуровневыми системами в стеклах при Ьш > к Т , Где со - частота переменного поля. Не было теории нелинейного релаксационного поглощения звука в металлических стеклах, обусловленного модуляцией во времени расстояния между уровнями ДУС в поле звуковой волны. Нелинейное поведение такого поглощения в металлических спклах наблюдалось группой Элбаума впервые в 1979 г.
Таким образом, несмотря на значительные достижения в физике магнитного резонанса, целый круг вопросов из физики двухуровневых систем в стеклах оставался открытым для обсуждения..
Аналогичная ситуация сложилась и в легированных кристаллических (и в аморфных) полупроводниках. Здесь двухуровневые системы, в отчичае от стекол, не атомного, а электронного происхождения. Они образованы парой примесных центров (доноров), на которых находится один электрон. Обнаруживают они себя в явлениях типа Високо-частотной прыжковой проводимости при поглощении электромагнитного излучения или звука.
Имеющаяся определенная аналогия с двухуровневыми системами в стеклах делает заманчивым перенос ряда идей из физики стекол в физику высокочастотной прыжковой проводимости полупроводников. Как показывают оценки, нелинейные эффекты в резонансном поглощении ВЧ поля и звука в легированных полупроводниках наступают уже при ничтожных интенсивностях, так что для наблюдения линейного вклада необходимо принимать специальные меры. Экспериментальное изучение нелинейных и квантовых явлений в высокочастотной прыжковой проводимости полупроводников позволит получить ряд важных параметров их примасной зоны, таких, например, как времена релаксации локализованных электронных состояний. .
Противоречивая ситуация сложилась в теорій нелинейного поглощения ИК излучения в полупроводниках с вырожденными зонами типа
- З - "
р-6э. За поглощение инфракрасного излучения в таких полупроводниках ответственны вертикальные переходы между подзонами тяжелых и легких дирок. Роль двухуровневой системы е.этом случае играет сама дырка с определенным импульсом р , Под воздействием, резонансного переменного электромагнитного поля она мохет превращаться из тяжелой в легкую л наоборот, изменяя прз этом проекцию полного момента на направление импульса р .
Существуйте экспериментальные данные указывали на нелинейное поведение поглощения в таких полупроводниках при достаточно больших интенсивностях. Однако не было единой точки зрения" до вопросу о механизма нелинейности. Различные известные механизмы при этой противопоставлялись друг другу.
Отсутствие адекватных теоретических представлений сдерживало осмысленные систематические экспериментальные исследования в этих областях физики. Поэтому теоретическое исследование перечисленных выше проблей и обусловливает актуальность темы диссертации.
Целью работы является построение теории нелинейных и квантовых явлений в стеклах и кристаллических легированных полупровод -никах, обусловленных существованием в них двухуровневых систем. Научная новизна работы определяется тем, что в ней Епервые дано решение перечисленных выше проблем, позволяющее с единых позиций рассматривать нелинейные и квантовые явления, обусловленные двухуровневыми системами в стеклах, кристаллических легированных и аморфных полупроводниках, в парамагнитных солях и др. Все это дает основание считать, что проведенное исследование открывает новое научной направление, которое модно сформулировать-кок "нелинейная и квантовая кинетика двухуровневых систем в конденсированных средах".
Практическая ценность диссертации определяется широким ис -пользованием в физике и технике аморфных, а кристаллических полупроводников, диэлектрических и металлических стекол. Б диэлектрических стеклах уже сейчас.существование ДУС и их спеда'лческиЯ температурозавиеимый вклад в диэлектрическую проницаемость стекла позволили создать термометр, . измеряпдий температуру в диапазоне от IкК до градуса. Уникальные возмо.-.июсти.существование ДУС в дк -электрических стеклах продстовлянт для генерации монохроматических Кононов с помощью электромагнитного излучения и'использование этих Кононов для целей физического эксперимента. Исследование нелинейных
_ 4 -
акустических явлешій в металлических стеклах при низких температурах в сверхпроводящем и в нормальном состоянии позволит выявить роль по-ляронных эффектов в образовании ДУС. Нелинейные эффекты в поглощении электромагнитного излучения в легированных кристаллических.полупроводниках можно использовать для создания чувствительных приемников излучения, а также для целей модуляции света.
Полученные в диссертации теоретические результаты должны дать пищу' для последующих систематических экспериментальных исследований в этой области.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Важную роль в процессах нелинейного резонансного поглощения звука и электромагнитного излучения в диэлектрических стеклах играет взаимодействие двухуровневых систем друг с другом. Оно ответственно за так называемое явление спектральной диффузии, которое определяет порог нелинейности резонансного поглощения и ширину выккенной дыры. Теория этих явлений не описывается уравнениями Блоха,
-
Взаимодействие ДУС приводит к новому явлению - расплыванию по спектру монохроматического фононного пучка, которое можно назвать как "спектральная диффузия фононов в стеклах". Оно существенным образо.* модифицирует явление узкого фононного горла, хорошо известное в физике парамагнитного резонанса.
-
В стеклах существует характерная энергия Ес а 10+ ь0 К, выше которой описание двухуровневых систем по теории возмущений .неприменимо. При более высоких энергиях теряет смысл и само представление о двухуровневой системе в первоначальном его варианте. -
-
В квантовой области частот Ью.кТ поглощение звука и электромагнитного излучения в стеклах ведет себя не так, как в классической. Отличается его частотная и температурная зависимость, ко -торая определена в диссертации.
-
Необычное нелинейное поведение коэффициента поглощения звука, наблвдаемое недавно в экспериментах группы Элбаума в металли -ческих стеклах, является нелинейностью релаксационного поглощения.
-
Важную роль в нелинейной высокочастотной прыжковой проводимости легированных полупроводников играет явление спектральной диффузии. Оно обусловлено диполь-дипольным взаимодействием пар заряженный донор - пустой. Квантовые переходы в них приводят к появлению
в пространства случайных, флуктуирующих во времени электрических
полей. Они "сбивают" резонанс при нелинейном поглощении ВЧ поля резонансными парами и определяет шлрипу выжженной дыры.
-
Важную роль в когерентном насыщении ПК поглощения в полупроводниках с вырожденными зонами типа р-5е играют заряженные придаси. Они сбивает фазу когерентных осцилляции Раби, приводи к увеличения порога нелинейности такого поглощения.
-
Аномальная чувствительность нелинейного поглощения ИК излучения в полупроводниках с вырожденными зонами к слабому электрическому полю могет быть использована при создании высокоэффективных модуляторов мощного, когерентного ПК излучения.
Апробация работы. Результаты, вошедшие и диссертацию, доклпды-вались на международной конференции по физике Кононов (КС, Будапешт, 1985), 12 Всесопзной конференции по акусто электронике и квантовой акустике (Саратов, ISB3), на XI, ХП и XII! Всесоюзных совещаниях по теории полупроводников (Ужгород, 1983; Ташкент, 1985; Ереван, 1987), 22, 23, 24 Всесоюзных совещаниях по физике нкззиїх температур (Киии-нев, 1982; Таллин, IS84; Тбилиси, 198В), г.а У1 -Всесоюзной симпозиуме "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (Впльнгс, 19.36). на УШ Уральской школе по физике полупроводпньов (Свердлорсл," 1265), на IX, X и XI симпозиумах по .теоретической физика (Одессе, Ь'СЗ; 1955; 1387),'на I Республиканском сеганаре по сверхнизким те;.-лэрптур&м (Донецк, 1983), а также на научных сетпнорох лабораторнії ряда уч -рявдоний: -*ТИ ин.Л.Ф.'Лс^е ЛИ CCCF, Ш.Ф ик.Б.П.Константинова, Института физпчоекпх проблей АН СССР, Г.Ї'У К'.лиЗ.Ломоносова, ЛЛИ им. М. II. Калинина.
Публикации. По текэ диссертации опубликована 31 работа, список основных из которых приведен в конце автореферата.
. Структура и объем работы. Диссертация состоит :пі вгздькия, семи глав, исключения, приложения и сип сиз цитированное литературы. Объем диссертации составляет 32С страниц, виючая 27 рпсунксв, 3 таблицы и список литературы, содержащий' 202 нап!*еноъяння.
