Широкодиапазонная люминесцентная спектроскопия высокого разрешения примесных кристаллов для квантовой сенсорики

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 проекта 19-72-10132

НазваниеШирокодиапазонная люминесцентная спектроскопия высокого разрешения примесных кристаллов для квантовой сенсорики

Руководитель Болдырев Кирилл Николаевич, Кандидат физико-математических наук

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

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

Код ГРНТИ29.31.21

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)

2. 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)

3. 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)

4. 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)

5. 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)

6. 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)

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. 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)

9. 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)

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. 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)

12. 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)

13. 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)

14. 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)

15. 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)

16. 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)

17. 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)

18. 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)

19. 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)

20. 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)

21. 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)

22. 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)

23. 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)
10.1103/PhysRevB.103.054103

24. 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)

25. 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)

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

27. 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)

28. 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)

29. 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)

30. 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)

31. 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)

32. 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)

33. 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)
10.1016/j.diamond.2022.109049

34. 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)
10.1016/j.jlumin.2022.118902

35. 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)

36. 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)

37. 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)

38. 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)

39. 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)

40. 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)

41. 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)

42. 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)

43. 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)
10.1016/j.omx.2022.100155

Публикации

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

Публикации

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