КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-72-10132

НазваниеШирокодиапазонная люминесцентная спектроскопия высокого разрешения примесных кристаллов для квантовой сенсорики

РуководительБолдырев Кирилл Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт спектроскопии Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2019 - 06.2022

, продлен на 07.2022 - 06.2024. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-304 - Спектроскопия

Ключевые словаспектроскопия высокого разрешения, FTIR, редкоземельные ионы, сверхтонкая структура, центры окраски, квантовые сенсоры, люминесценция, деформационное расщепление, квантовая оптика, нанокристаллы, алмазы, Фурье-спектроскопия

Код ГРНТИ29.31.21

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Спектры примесных редкоземельных ионов и некоторых центров окраски в высококачественных кристаллах имеют очень узкие бесфононные линии (БФЛ) в оптическом диапазоне, чрезвычайно чувствительные к внешнему окружению и внешним воздействиям. Например, по изменению частоты перехода возможно наблюдение смещения атома в кристаллической решетке на ~10^-5 нм [N.I. Agladze et al. Phys. Rev. Lett. 66, 477 (1991); V.G. Ralchenko et al., ACS Photonics 6, 66 (2019)], что более чем на 3 порядка лучше предела разрешения при исследовании методом рентгеновской дифракции (~0.1 нм). С помощью БФЛ возможно наблюдение различных квантовых эффектов, например, сверхтонкого расщепления, изотопических эффектов, эффекта антипересечения уровней и других. Узкие БФЛ очень чувствительны к качеству кристалла, и анализ их формы может дать количественную оценку качества материала [B.Z. Malkin et al., Phys. Rev. B 96, 014116 (2017)]. В связи с этим, такие линии могут служить очень чувствительными сенсорами не только внутреннего строения материала, но и внешних воздействий, таких как деформации, температура, магнитные и электрические поля. Имеющийся у руководителя проекта задел по исследованию БФЛ со сверхтонкой структурой в спектрах поглощения кристалла LiYF4:Ho в магнитном поле [K.N. Boldyrev et al., Phys. Rev. B 99, 041105(R) (2019)] показывает возможность создания квантового сенсора на основе такого материала. Такие тонкие особенности в спектрах наблюдаются только в кристаллах хорошего качества с малой концентрацией активатора, когда отсутствует уширение линий из-за межцентровых взаимодействий. Проблема состоит в том, что для наблюдения БФЛ в спектрах поглощения необходимо наличие крупного однородного кристалла. Люминесцентная спектроскопия лишена этого недостатка, поскольку имеет гораздо большую чувствительность (позволяет регистрировать спектры, в том числе, наноразмерных объектов). Кроме того, люминесцентная спектроскопия, в отличие от спектроскопии поглощения, позволяет исследовать электронные переходы между возбужденными состояниями, что повышает количество (в некоторых случаях – и качество) получаемой из спектров информации. Использование широкодиапазонной люминесцентной спектроскопии высокого разрешения позволит найти эффективные люминесцирующие микро- и наноразмерные квантовые сенсоры. Коммерческие люминесцентные спектрометры высокого разрешения отсутствуют, кроме того, авторам проекта неизвестна ни одна научная группа, которая бы занималась люминесцентной спектроскопией высокого разрешения. Руководителем проекта вместе с коллегами, членами коллектива участников проекта, на базе коммерческого вакуумного всеволнового фурье-спектрометра высокого разрешения Bruker IFS 125 HR создан люминесцентный спектрометр, позволяющий регистрировать спектры излучения высокого разрешения (спектральное разрешение лучше чем 0.001 см-1 или 30 МГц) в широком диапазоне длин волн от далекого инфракрасного диапазона до ультрафиолета (соответствует спектральному диапазону 100-35000 см-1 или 100-0.285 мкм). Методика и прибор вошли в перечень уникальных научных установок РФ (УНУ МШСВР №508571). С помощью данной экспериментальной методики планируется впервые провести изучение ряда перспективных с точки зрения квантовой сенсорики объектов – материалов, в которых ранее в спектрах поглощения (или спектрах возбуждения люминесценции) наблюдались узкие линии с тонкой и сверхтонкой структурой, деформационными расщеплениями. Данные материалы будут исследованы на применимость в качестве квантовых сенсоров внешних магнитных и электрических полей, температур, деформаций. Будет проведено теоретическое моделирование наблюдаемых спектров и влияния на них внешних возмущений для получения количественных значений измеряемых величин и выяснения области применимости конкретного сенсора. Надо подчеркнуть, что исследования с помощью широкодиапазонной люминесцентной спектроскопии высокого разрешения будут проводиться впервые, и можно ожидать, что будут обнаружены новые эффекты и будут предложены новые практические применения. Стоит также обратить внимание на то, что квантовая сенсорика идет рука об руку с квантовыми информационными и вычислительными технологиями, и исследования по настоящему проекту могут быть полезны в этих смежных областях. Линейный эффект по внешнему возмущению (магнитное поле, электрическое поле, одноосное сжатие-растяжение), необходимый для нужд детектирования, наблюдается только при наличии вырождения квантовых подуровней, отсюда следует выбор объектов для исследования с локальной симметрией, допускающей наличие вырожденных состояний. Поэтому в качестве оптических квантовых сенсоров в настоящем проекте мы будем рассматривать квантовые оптические системы на кристаллах, активированных редкоземельными ионами и другими примесями с достаточно высокой локальной симметрией. В качестве конкретных объектов для планируемых исследований выбраны высококачественные кристаллы фторидов и оксидов LiYF4, LiLuF4, LaAlO3, CaF2, допированные редкоземельными ионами (Ho3+, Tm3+, Pr3+ и др.), а также алмазы с центрами окраски, обусловленными примесями Ge, Si, N и др. Планируется изучение при различных внешних воздействиях как объемных материалов (модельные исследования), так и микро- и наноразмерных образцов. Будет исследован эффект антипересечнеия сверхтонких компонент оптических переходов, при котором в области антипересечения сильно возрастает чувствительность к внешним воздействиям (в частности, существенно повышаются времена спиновой когерентности). Кроме люминесцентной спектроскопии, для всестороннего анализа изучаемых материалов будут привлечены (в случае необходимости) другие методы спектроскопии высокого разрешения – отражения, поглощения, комбинационного рассеяния, возбуждения люминесценции. Выполнение данной работы на высоком мировом уровне гарантируется имеющимся в распоряжении коллектива участников проекта уникальным оборудованием и кристаллическими материалами хорошего качества и, самое главное, квалификацией руководителя и исполнителей, которые обладают большим опытом в исследовании подобных систем, имеют публикации по близким к проекту темам в ведущих физических журналах уровня Physical Review Letters (IF=8.839, Q1), ACS Photonics (IF=6.880, Q1), Physical Review B (IF= 3.836, Q1) и других.

Ожидаемые результаты
Реализация проекта позволит развить метод широкодиапазонной люминесцентной спектроскопии высокого разрешения, получить на его основе новые актуальные экспериментальные данные с их последующим теоретическим описанием в области оптической квантовой сенсорики, что в конечном итоге приведет к расширению знаний в области физики твердого тела и созданию ряда высокочувствительных сенсоров. Работы позволят решить насущные проблемы детектирования слабых магнитных (оценка чувствительности –лучше, чем 1 мкТ/(Гц^1/2)), электрических (чувствительность <1кВ/(Гц^1/2)) полей, создания беспроводных (оптических) датчиков температур (< 0.01 К/(Гц^1/2)), давлений (<10 бар/(Гц^1/2)), деформаций (<10^-7/(Гц^1/2)) (оценки чувствительности даны для уже существующих квантовых сенсоров на основе NV-центров [R. Schirhagl at.al, Annu. Rev. Phys. Chem. (2014)]), а также даст инструмент для чрезвычайно чувствительного определения качества оптического материала, что критически важно при создании новых материалов, в частности, для квантовой информатики. Научная и практическая значимость исследований лежит в плоскости создания метрологических устройств с повышенной чувствительностью на новых физических принципах, а также в увеличении количества возможных практических инструментов для таких областей знаний, как физика, химия, биология, медицина, военные применения и др. Важно заметить, что при использовании заданного квантового сенсора, с известными частотами оптических переходов и известным же влиянием на них внешних возмущений, необходимости в уникальном оборудовании, которым обладает лаборатория Фурье-спектроскопии, не будет. Узкополосную регистрацию высокого разрешения в заданном диапазоне длин волн можно выполнять сравнительно недорогими средствами, например, с помощью интерферометров Фабри-Перо. По результатам работы будут защищены 1 докторская, 2 кандидатские и 3 магистерские диссертации. Конкретные результаты: 1) Впервые будет зарегистрирована сверхтонкая структура в спектрах люминесценции кристалла. Первым объектом исследования будет выступать модельный моноизотопный кристалл 7LiYF4:Ho. Будут исследованы ширина и форма сверхтонких компонент в спектре люминесценции. 2) Впервые в спектрах люминесценции кристалла будет обнаружен и исследован эффект антипересечения сверхтонких подуровней во внешнем магнитном поле и выполнено моделирование эффекта антипересечения (на кристалле 7LiYF4:Ho). Будут изучены деформационные эффекты в области пересечения сверхтонких компонент с одинаковым ядерным квантовым числом, проведено моделирование и даны количественные оценки характеристик дефектов кристаллической решетки. 3) Будет получена информация об изотопической структуре сверхтонких подуровней в спектрах люминесценции кристаллов LiYF4 смешанного состава по изотопам лития 6Li и 7Li. 4) Будут исследованы сверхтонкие структуры, эффекты антипересечения, деформационные расщепления в спектрах люминесценции ряда других перспективных кристаллов для квантовой сенсорики (LiLuF4, LaAlO3, CaF2) с различными редкими землями, имеющими ненулевой ядерный спин (141Pr (I=5/2), 151Eu (I=5/2), 153Eu (I=5/2), 159Tb (I=3/2), 165Ho (I=7/2), 169Tm (I=1/2)). Будут определены константы сверхтонкого взаимодействия, выполнены исследования по применимости каждого из кристаллов в качестве квантового сенсора. 5) Будут проведены исследования тонкой и изотопической структур в спектрах люминесценции объемных алмазов с центрами окраски типа SiV, GeV, NV и ряда других. Будет проведено моделирование спектральных особенностей методом ab initio. Будут выполнены исследования по анализу параметров характерных линий оптических центров в зависимости от внешних условий (температура, магнитные поля, электрические поля, давления, деформации). Будут выбраны наиболее перспективные кандидаты на роль квантовых сенсоров, как с точки зрения чувствительности к внешним воздействиям, так и удобства используемого диапазона длин волн (например, наиболее перспективный диапазон для биомедицинских сенсоров – область прозрачности биологической ткани - ближний ИК диапазон)). 6) По результатам предыдущих пунктов из наиболее перспективных кристаллов для квантовой сенсорики будут изготовлены наноразмерные порошки для последующего анализа на возможность использования в качестве точечных оптических наносенсоров. Для этого будут выполнены работы по исследованию спектров люминесценции при внешних воздействиях – температур, магнитных и электрических полей, давлений. На основе полученных результатов будут даны предложения по внедрению наиболее перспективных наносенсоров в научные, промышленные и медицинские приложения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За первый отчетный период выполнения проекта «Широкодиапазонная люминесцентная спектроскопия высокого разрешения примесных кристаллов для квантовой сенсорики» были выполнены основополагающие работы по созданию универсальной экспериментальной установки по исследованию спектров люминесценции высокого спектрального разрешения (лучше, чем 0.001 см-1) в широкой спектральной области (с возможностью регистрации излучения от терагерцового до ультрафиолетового диапазона, 15-40000 см-1), с возможностью приложения различных температур (от 4 до 400К), магнитных полей (до 1 Тл), высокоинтенсивных световых полей (до 100 Вт/см2 в непрерывном режиме, с возможностью перестройки по частоте). Это позволило получить уникальные научные результаты на предлагаемых в качестве квантовых сенсоров материалах, а именно, различных по изотопическому составу кристаллов двойных фторидов лития-иттрия и кристаллов лантанового алюмината со структурой перовскита, легированных гольмием-165, а также кристаллов гексагональных модификаций 4H и 6H карбида кремния. В указанных соединениях удалось наблюдать чрезвычайно тонкие линии в спектрах люминесценции, с наименьшей шириной 0.0025 см-1 (~70МГц), что является рекордным значением для люминесценции ансамбля частиц. Кроме того, впервые в спектрах люминесценции была зарегистрирована сверхтонкая структура энергетических уровней, во внешнем магнитном поле наблюдались эффекты антипересечения сверхтонких подуровней, а также расщепления, связанные со случайными деформациями. Все наблюдаемые явления были рассчитаны с помощью квантомеханических моделей. Были предложены практические применения наблюдаемым явлениям, в качестве высокочувствительных бесконтактных оптических квантовых сенсоров магнитных полей и механических напряжений. Также полученные результаты можно применить для создания оптической квантовой памяти для квантовых повторителей. Все запланированные результаты за отчётный период были выполнены в полном объеме.

Публикации

1. Болдырев К.Н., Гуценко Д.Д., Климин С.А., Новикова Н.Н., Маврин Б.Н., Маякова М.Н., Хныков В.М. Новые линии в спектрах ик-люминесцентнции высокого разрешения монокристаллов SiC политипов 4H и 6H Оптика и спектросокпия, - (год публикации - 2020)

2. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н., Семёнова О.И. Оптические свойства металл-органических перовскитов MAPbI3 Оптика и спектроскопия конденсированных сред: материалы XXV Междунар. науч. конф. (под науч. ред. В.А. Исаева, А.В. Лебедева) - Краснодар: Кубанский гос. ун-т, 2019., Оптика и спектроскопия конденсированных сред: материалы XXV Междунар. науч. конф. Стр. 471-475 (год публикации - 2019)

3. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н., Семенова О.И., Попова М.Н. Investigation of structural phase transitions in the metal halide perovskite CH3NH3PbI3 single crystals Book of Abstracts of the conference SPb Photonic, Optoelectronic, & Electronic Materials SPb-POEM 2020, стр.73 (год публикации - 2020)

4. Болдырев К.Н. Quantum sensorics: prospects of application Abstract book of 2019 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2019), Hoang Quoc Viet Technology and Science Joint Stock Company,Hanoi, Abstract book of 2019 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2019), page 60-61 (год публикации - 2019)

5. Болдырев К.Н., Гуценко Д.Д. Сектаров Э.C. Quantum sensorics on silicon carbide single crystals: high-resolution spectroscopy study Book of abstract of the 3rd international school on quantum technologies (QTS-20), - (год публикации - 2020)

6. Болдырев К.Н., Сулеймен Е., Попова М.Н. Антипересечение сверхтонких уровней в спектрах люминесценции в LiYf4:Ho3+ Сборник научных трудов IX Международной конференции по фотонике и информационной оптике, стр. 57-58 (год публикации - 2020)

7. Гуценко Д.Д., Болдырев К.Н. Исследование центров окраски в монокристаллах карбида кремния посредством люминесцентной спектроскопии высокого разрешения Сборник научных трудов IX Международной конференции по фотонике и информационной оптике, стр.292-293 (год публикации - 2020)

8. Гуценко Д.Д., Болдырев К.Н. Infrared high-resolution luminescent spectroscopy of color centers in SiC single crystals Book of Abstracts of the conference SPb Photonic, Optoelectronic, & Electronic Materials SPb-POEM 2020, стр. (год публикации - 2020)

9. Сулеймен Е., Болдырев К.Н. Деформационное расщепление в спектрах поглощения и люминесценции LaAlO3: Pr3+, Ho3+, Tm3+ XIII международные чтения по квантовой оптике (IWQO – 2019): Сборник тезисов., XIII международные чтения по квантовой оптике (IWQO – 2019): Сборник тезисов. г. Владимир, 9 – 14 cентября 2019 г. [Электронное издание]. – Москва: Тровант, 2019. – 429 с.: ил., стр.384-385 (год публикации - 2019)

10. - Программа "Новый день" от 22.07.2019 Телеканал Тротек, Программа "Новый день" от 22.07.2019 (год публикации - )

11. - Программа "Тема дня" от 22.07.2019 Телеканал Тротек, Программа "Тема дня" от 22.07.2019 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
За второй отчетный период выполнения проекта «Широкодиапазонная люминесцентная спектроскопия высокого разрешения примесных кристаллов для квантовой сенсорики» были продолжены работы по созданию универсальной экспериментальной установки по исследованию спектров люминесценции и поглощения высокого спектрального разрешения в широкой спектральной области, с возможностью приложения различных температур, магнитных полей, высокоинтенсивных световых полей. За отчетный период была выполнена модернизация, позволяющая исследовать фотопроводимость и фототок любых твердотельных материалов, а также исследовать фотолюминесценцию и фотопоглощение под воздействием внешнего рентгеновского излучения. Использование данной установки позволило получить уникальные научные результаты на предлагаемых в качестве квантовых сенсоров материалах, а именно: на высококачественных алмазах с электроактивными примесями (бор, фосфор) и центрами окраски (NV, SiV, GeV), на изотопно-чистых кристаллах LiYF4, кристаллах LaAlO3 со структурой перовскита, высококачественных монокристаллах SiC с примесями V4+, высококачественных монокристаллах металлорганических перовскитов MAPbX3 (X=I, Br). Из конкретных научных результатов стоит выделить следующее: была обнаружена возможность разбиения донорно-акцепторных пар в алмазах, а также эффекты перезарядки центров окраски, что важно с точки зрения возможных квантовых применений этих центров, в частности, для квантовой сенсорики; проведено моделирование обнаруженных на предыдущем этапе гигантских деформационных расщеплений в монокристалле LaAlO3:Ho, проведены работы по поиску и исследованию деформационных расщеплений кристаллов LaAlO3:Tm, Pr; выполнено исследование спектров кристаллов карбида кремния гексагональных модификаций во внешних магнитных полях; исследованы высококачественные монокристаллы алмаза с фосфорными и борными центрами на предмет фото- и рентгено-индуцированного поглощения и люминесценции, что связано с разбиением электронно-дырочных пар внутри полупроводникового алмаза; исследования фотопроводимости высокого разрешения алмазов, легированных бором показано, что такой алмаз может быть высокочувствительным фотонным сенсором (фотодетектором) в области средней-ближней ИК (> 2800 см-1), даже при комнатной температуре; впервые обнаружены особенности в зонных спектрах поглощения металлорганических перовскитов MAPbI3 и MAPbBr3, исследованы фазовые переходы и их влияние на зонную структуру, изучены поляризованные спектры отражения в терагерцовой области спектра, где обнаружены торсионные колебания молекулы метиламмония, туннельные расщепления и ряд других особенностей; измерены спектры фотолюминесценции примесно-вакансионного центра GeV в алмазе и рассчитаны парциальные плотности фононных состояний нейтрального, отрицательно заряженного и возбужденного центра из первых принципов, что проливает свет на нейтрально заряженное состояние германий-вакансионного комплекса в алмазе.

Публикации

1. Болдырев К.Н., Абишев Н.М., Мумдзи И.Е., Никитин С.И., Дерен П.Дж., Малкин Б.З., Попова М.Н. Disorder effects in LaAlO3:Ho3+ single crystals revealed by optical spectra Physical Review B, PHYSICAL REVIEW B 103, 054103 (2021) (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.054103

2. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н., Попова М.Н., Семенова О.И. Структурные фазовые переходы в гибридном металл-органическом перовските MAPbBr3 Материалы XXVI международной конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Материалы XXVI международной конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Краснодар, 19-23 октября 2020 г., Тезисы докладов, стр. 52-56. (год публикации - 2020)

3. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н., Семенова О.И. Low-Temperature Structural Change In CH3NH3PbI3 Perovskite Single Crystals The Book of Abstracts of the V International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO 2020), The Book of Abstracts of the V International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO 2020) (год публикации - 2020)

4. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н., Семенова О.И., Попова М.Н. Hybrid perovskite single crystals: optical properties and low-temperature features Cборник тезисов II МОСКОВСКОЙ ОСЕННЕЙ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ПЕРОВСКИТНОЙ ФОТОВОЛЬТАИКЕ , [электронное издание сетевого распространения] – М.: «КДУ», «Добросвет», 2020., Cборник тезисов MAPPIC-2020, [электронное издание сетевого распространения] – М.: «КДУ», «Добросвет», 2020. c. 25. (год публикации - 2020)

5. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н., Семенова О.И., Попова М.Н. Investigation of structural phase transitions in the metal halide perovskite CH3NH3PbI3 single crystals The Book of Abstracts of the 2nd European conference on Novel Photonic, Optoelectronic and Electronic Materials (SPb-POEM2020), The Book of Abstracts Online Conference SPb-POEM2020, online, 27-30 April 2020, p. 73. (год публикации - 2020)

6. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н., Семенова О.И., Попова М.Н. Инфракрасная спектроскопия гибридного перовскита CH3NH3PbI3: Структурные фазовые переходы и динамика органического катиона Тезисы докладов XXI Всероссийской школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-21), г. Екатеринбург, стр.275 (год публикации - 2021)

7. Болдырев К.Н. Photochromic effects in P- and B-doped diamond Abstracts and Schedule 2020 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2020) (Kitakyushu, Japan, March 26–29, 2021) - Rostov-onDon Taganrog Southern Federal University Press, 2021. - 356 p., Abstracts and Schedule 2020 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2020), K.N. Boldyrev p. 329 (2021) (год публикации - 2021)

8. Болдырев К.Н., Аникеева В.Е., Семенова О.И., Попова М.Н. Перспективы применения металлорганических перовскитов в фотонике и фотовольтаике Тезисы докладов XXI Всероссийской школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-21), г. Екатеринбург, стр.17 Сборника Тезисов (год публикации - 2021)

9. Болдырев К.Н., Аникеева В.Е., Семенова О.И., Попова М.Н. Infrared Spectra of the CH3NH3PbI3 and CH3NH3PbBr3 Hybrid Perovskites: Signatures of Phase Transitions and of Organic Cation Dynamics Abstracts and Schedule 2020 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2020) (Kitakyushu, Japan, March 26–29, 2021) - Rostov-onDon Taganrog Southern Federal University Press, 2021. - 356 p., Abstracts and Schedule 2020 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2020), K.N. Boldyrev, V.E. Anikeeva, O.I. Semenova, M.N. Popova, p. 330 (2021) (год публикации - 2021)

10. Болдырев К.Н., Гуценко Д.Д. New IR color centers of silicon carbide for the quantum sensors The Book of Abstracts of the V International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO 2020), The Book of Abstracts of the V International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO 2020) (год публикации - 2020)

11. Болдырев К.Н., Денисов В.Н., Тарелкин С.А., Тереньтьев С.А., Бланк В.Д. Расщепление энергетических уровней основного состояния донора в монокристаллическом алмазе, легированном фосфором Материалы XXV международной конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Материалы XXV международной конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Краснодар, 19-23 октября 2020 г., Тезисы докладов, стр.57-59. (год публикации - 2020)

12. Гуценко Д.Д., Болдырев К.Н. Infrared high-resolution luminescent spectroscopy of color centers in SiC single crystals The Book of Abstracts of the 2nd European conference on Novel Photonic, Optoelectronic and Electronic Materials (SPb-POEM2020), The Book of Abstracts Online Conference SPb-POEM2020, online, 27-30 April 2020, p. 70. (год публикации - 2020)

13. Сектаров Э.С., Болдырев К.Н. Спектроскопия высокого разрешения кристаллов квантовой оптики в сильных электрических полях Тезисы докладов XXI Всероссийской школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-21), г. Екатеринбург, стр.303 Сборника Тезисов (год публикации - 2021)

14. Слинько А.В. Спектроскопия высокого разрешения вакансионных центров окраски в монокристаллическом карбиде кремния III Студенческая конференция «От ядер галактик до атомных масштабов», Сборник трудов III Студенческой конференции «От ядер галактик до атомных масштабов», стр. 26 (год публикации - 2021)

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
За отчетный, финальный, период выполнения проекта были не только выполнены все поставленные ранее задачи, но и проведены дальнейшие поисковые экспериментальные и теоретические исследования, имеющие задел на будущий проект/продление. Так, кроме заявленных в плане работ, были исследованы синглет-синглетные переходы в LiYF4:Ho во внешнем магнитном поле (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022231322001776), изучены фононные состояния в германий-вакансионных центров окраски в алмазе (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092596352200231X), создана установка по поглощению и люминесценции под воздействием рентгеновского излучения, уже опробованная на кристаллах алмаза и показавшая уникальные результаты. В частности, впервые показано, что с помощью рентгеновского излучения удается менять зарядовые состояния центров окраски в алмазе, и эти изменения при гелиевых температурах могут держаться до нескольких десятков минут после выключения рентгеновского источника. Показано, что рентгенолюминесценция А-полосы в алмазе может излучать с рекордным временем затухания (до нескольких минут), что в итоге может, наконец, пролить свет на природу этой полосы. Обнаружено влияние рентгеновского излучения на полупроводниковые структуры, на спектры фототока/поглощения/люминесценции полупроводниковых материалов и др. Созданная и развитая экспериментальная методика уникальна не только в масштабе российской, но и, в целом, мировой науки. До настоящего момента у авторов проекта нет данных о подобных экспериментах по исследованию люминесценции/поглощения под воздействием рентгеновских лучей а) при низких температурах; б) в широком диапазоне длин волн (от терагерцового до ультрафиолетового излучения); в) со сверхвысоким спектральным разрешением. В целом, указанная экспериментальная установка открывает огромные перспективы для дальнейшего исследования целого класса различных материалов, и на ближайшее время будет давать много новых, уникальных результатов, которые позволят пролить свет на многие процессы в оптике и физике твердого тела, обнаружить новые эффекты. В соответствии с планом работ, были получены экспериментальные данные о спектрах различных зарядовых состояний вакансионных комплексов GeV, SiV и NV, индуцированных рентгеновским излучением. Получена высокоточная информация о фотопроводимости полупроводниковых алмазов, легированных фосфором, бором и азотом. Определены величины деформационных расщеплений в кристаллах LaAlO3, активированных редкоземельными некрамерсовскими ионами Tm3+. Выполнены теоретические расчеты и моделирование, позволяющее разделить различные вклады в величину расщепления сверхтонкого, электрон-деформационного взаимодействия с точечными дефектами и доменными границами. Создана экспресс-методика по определению концентрации электроактивных примесей бора и фосфора в алмазе. Исследованы электронно-колебательные эффекты в низкотемпературных спектрах отражения (терагерцовая область) и поглощения (средняя-ближняя ИК область) металлорганических перовскитов MAPbBr3. Проведены работы по исследованию влияния отжига ультраширокозонных полупроводников (SiC и алмаза) на центры окраски в этих материалах. За третий год опубликованы 3 работы в журналах с квартилем Q1, и 2 работы направлены в печать, 2 готовятся к публикации. Результаты, полученные в рамках проекта за отчётный период, были доложены на 10 научных мероприятиях (8 – международных и с международным участием), на которых было представлено 17 работ, 4 из них с приглашенным докладом.

Публикации

1. Болдырев К.Н., Абишев Н.М., Мумдзи И.Е., Никитин С.И., Малкин Б.З., Юсупов Р.В., Попова М.Н. High-resolution spectroscopic studies of random strains in ferroelastic domains in the LaAlO3 :Tm3+ single crystal Optical Materials: X, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.omx.2022.100155

2. Болдырев К.Н., Малкин Б.З., Попова М.Н. Observation of the hyperfine structure and anticrossings of hyperfine levels in the luminescence spectra of LiYF4:Ho3+ Light Science & Applications, - (год публикации - 2022)

3. Болдырев К.Н., Малкин Б.З., Попова М.Н. Hyperfine structure in the spectra of the singlet – singlet transitions of Ho3+: 7LiYF4 in a magnetic field Journal of Luminescence, Volume 247, July 2022, 118902 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.118902

4. Болдырев К.Н., Седов В.С., Ванпоук Д.Е.П., Ральченко В.Г., Маврин Б.Н. Localized vibrational modes of GeV-centers in diamond: Photoluminescence and first-principles phonon study Diamond & Related Materials, Diamond & Related Materials 126 (2022) 109049 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109049

5. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н. Широкодиапазонная спектроскопия монокристалла гибридного перовскита MAPbBr3 Книга тезисов Школы-конференции молодых ученых «Прохоровские недели» – форум молодых ученых, аспирантов и студентов ИОФ РАН, №. 1, С. 45-47 (год публикации - 2021)

6. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н., Семенова О.И., Попова М.Н. Исследование спектров поглощения и отражения высокого разрешения в терагерцовом и дальнем инфракрасном диапазоне монокристаллов гибридных металлоорганических перовскитов Сборник тезисов Российской конференции и школы молодых ученых по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники (с участием иностранных ученых) ФОТОНИКА-2021, стр. 91 (год публикации - 2021)

7. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н., Семенова О.И., Попова М.Н. High-resolution terahertz and infrared spectroscopy of hybrid perovskite CH3NH3PbI3 ABSTRACTS of VIII International School and Conference on Photonics PHOTONICA2021, p.94 (год публикации - 2021)

8. Аникеева В.Е., Болдырев К.Н., Семенова О.И., Попова М.Н., Быкова Д.В. Broad-range spectroscopy of a single crystal of hybrid perovskite MAPbBr3 Сборник тезисов докладов III МОСКОВСКОЙ ОСЕННЕЙ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ПЕРОВСКИТНОЙ ФОТОВОЛЬТАИКЕ (MAPPIC-2021), стр.14 (год публикации - 2021)

9. Болдырев К.Н. Light-induced optical effects in phosphorus, nitrogen and boron doped diamonds ABSTRACTS OF TUTORIAL, KEYNOTE, INVITED LECTURES, PROGRESS REPORTS AND CONTRIBUTED PAPERS of VIII International School and Conference on Photonics PHOTONICA2021, ABSTRACTS of VIII International School and Conference on Photonics PHOTONICA2021, p.83 (год публикации - 2021)

10. Болдырев К.Н. High resolution optical spectroscopy of color centers in diamond Book of abstract AMPL2021, p.139 (год публикации - 2021)

11. Болдырев К.Н. Фотохромные эффекты в легированных полупроводниковых алмазах Материалы XVIII молодежной конференции с международным участием по люминесценции и лазерной физике. Иркутск, Россия, 5–10 июля 2021 г., Материалы XVIII молодежной конференции с международным участием по люминесценции и лазерной физике, стр. 28 (год публикации - 2021)

12. Болдырев К.Н., Абишев Н.М., Мумдзи И.Е., Никитин С.И., Дерен П., Малкин Б.З., Попова М.Н. Deformation-related splitting in the spectra of a LaAlO3:Ho3+ single crystal Book of abstract METANANO 2021, Book of abstract METANANO 2022 p.182 (год публикации - 2021)

13. Болдырев К.Н., Аникеева В.Е., Семенова О.И., Попова М.Н. Терагерцовая и инфракрасная спектроскопия высокого разрешения монокристаллов гибридного перовските CH3NH3PbI3 Материалы XVIII молодежной конференции с международным участием по люминесценции и лазерной физике. Иркутск, Россия, 5–10 июля 2021 г., Материалы XVIII молодежной конференции с международным участием по люминесценции и лазерной физике, стр.18 (год публикации - 2021)

14. Болдырев К.Н., Дихтяр Ю.Ю. Light-induced optical effects on phosphorus and boron doped diamonds Book of abstract Hasselt Diamond Workshop 2022 - SBDD XXVI, с. 52 (год публикации - 2022)

15. Болдырев К.Н., Попова М.Н. First observation of the hyperfine structure and level anticrossings in the luminescence spectra of a crystal Book of abstract ICL2020, Book of abstract ICL2020, p.12 (год публикации - 2021)

16. Болдырев К.Н., Хомич А.А., Седов В.С. Деформационные расщепления в SiV-центрах окраски алмаза: влияние отжига на динамику Книга тезисов Школы-конференции молодых ученых «Прохоровские недели» – форум молодых ученых, аспирантов и студентов ИОФ РАН, №. 1, с. 31-33 (год публикации - 2021)

17. Сектаров Э.С., Седов В.С., Болдырев К.Н. Управление зарядовым состоянием центров окраски в алмазах с помощью рентгеновского излучения Книга тезисов Школы-конференции молодых ученых «Прохоровские недели» – форум молодых ученых, аспирантов и студентов ИОФ РАН, №. 1, С. 42-44. (год публикации - 2021)

18. Сектаров Э.С., Седов В.С., Болдырев К.Н. Control of color centers charge states in crystals by using X-Ray radiation BOOK OF ABSTRACTS Школы-конференции с международным участием по оптоэлектронике, фотонике и нанобиоструктурам Saint Petersburg OPEN2022, c. 6 (год публикации - 2022)

19. Сектаров Э.С., Седов В.С., Болдырев К.Н. Рентгеновское излучение как способ управления зарядовым состоянием центров окраски в алмазах СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ XI МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ, стр. 407-408 (год публикации - 2022)

20. Сектаров Э.С., Седов В.С., Болдырев К.Н. X-Ray as a method for manipulation of color centers charge state in diamonds Book of abstract Hasselt Diamond Workshop 2022 - SBDD XXVI, с. 95 (год публикации - 2022)

Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные в ходе реализации настоящего проекта, могут быть применены: - в широкодиапазонных полностью оптических квантовых сенсорах магнитных полей в устройствах квантовой информатики (LiYF4-Re); - для исследования качества кристаллов (деформаций, дефектов) в кристаллах для квантовой информатики (LiYF4-Re, LaAlO3-Re); - для быстрого и точного анализа электроактивных примесей в ультраширокозонных полупроводниковых материалах (алмаз, SiC, GaN, AlN и др.); - в области высокочувствительных детекторов оптического диапазона (алмаз, SiC, MAPbX3); - в качестве сцинтилляционных и электронных детекторов рентгеновского излучения (алмаз); - для получения заданных зарядовых состояний в центрах окраски (алмаз, SiC). Однако самое главное, по мнению авторов проекта, является получение новых уникальных экспериментальных методик (широкозонная низкотемпературная люминесцентная спектроскопия высокого разрешения, с возможностью приложения различных внешних воздействий), которые показали свою применимость на целом ряде материалов для квантовой оптики, информатики, фотоники и сенсорики.