Материалы

Стенд спектроскопии спиновых шумов

Экспериментальная установка спектроскопии спиновых шумов ориентирована на изучение динамики систем парамагнитных частиц магнитооптическими методами. Система позволяет регистрировать термодинамические флуктуации намагниченности ограниченной системы частиц, обладающих ненулевым магнитным моментом. Регистрация осуществляется посредством накопления спектра шумов фарадеевского вращения плоскости поляризации света, прошедшего через исследуемый образец. Использование новейших технологий позволяет наблюдать спектры флуктуаций намагниченности фактически в реальном времени.
Установка состоит из следующих основных узлов:
  • лазер с перестраиваемой длиной волны;
  • оптическая схема, обеспечивающая регулировку свойств пучка, фокусируемого на образце;
  • гелиевый криостат замкнутого цикла, обеспечивающий рабочую температуру до 2,5 К;
  • балансный фотодетектор с быстродействием до 1 нс;
  • радиочастотный спектроанализатор, осуществляющий быстрое преобразование Фурье.

  • Для исследований по спектроскопии спиновых шумов в полупроводниковых системах используется титан-сапфировый лазер T&D-scan. Основные характеристики:
  • накачка диодным лазером Sprout (мощность до 10 Вт, длина волны 532 нм);
  • возможность плавной перестройки длины волны в диапазоне от 700 до 1050 нм (с использованием четырёх сменных комплектов зеркал) с точностью до 0,01 нм;
  • мощность ИК излучения — до 1,5 Вт;
  • возможность автоматического плавного сканирования длины волны;
  • возможность установки нелинейного кристалла для генерации второй гармоники (длины волн от 350 до 515 нм) мощностью до 10 мВт;
  • управление лазером как вручную, так и автоматизированно при помощи ПК.

Оптическая схема включает в себя высококачественные оптические элементы фирмы ThorLabs, такие как поляризационные кубики, волновые пластинки, диэлектрические зеркала, линзы с просветляющим покрытием, сопутствующую оптомеханику и др.
Гелиевый криостат замкнутого цикла Cryostation фирмы Montana Instruments. Основные характеристики:
  • рабочая температура — до 2,5 К;
  • кубическая камера с окнами диаметром 4,5 см на 5 гранях;
  • минимальное расстояние от окон до образца — около 3,5 см (с возможностью его уменьшения с соответствующим повышением минимальной рабочей температуры);
  • охлаждение до рабочих параметров — 110 минут;
  • возможность установки электромагнитной приставки, максимальная напряжённость поля — до 0,7 Т;
  • встроенная система вакуумной откачки и продувки камеры азотом.

Кремниевые балансные фотодекторы фирмы ThorLabs с полосой пропускания до 200 и до 650 МГц.
Спектроанализатор RSA5103A фирмы Tektronix, осуществляющий быстрое накопление спектров при помощи быстрого преобразования Фурье. Основные характеристики:
  • единовременное накопление спектра в окне шириной до 110 МГц, частотный диапазон — до 3 ГГц;
  • набор программных средств для визуализации накапливаемого сигнала, позволяющее отслеживать короткие и долгосрочные изменения спектра;
  • встроенный предусилитель на 15 дБ с предельно низким уровнем собственных шумов;
  • подключение к другим устройствам по шинам GPIB, USB, COM, локальной сети и др.

Спектроскопия шумов фарадеевского вращения является технологически новым методом, позволяющим изучать состояние и динамику спиновой подсистемы образца, находящуюся в термодинамическом равновесии. Информация, получаемая из исследований, проведённых методом ССШ, может предоставить информацию, аналогичную ЭПР-спектроскопии, и обладает при этом рядом преимуществ, таких как, например:
  • возможность проведения невозмущающих измерений (длина волны пробного света далеко отстоит от линии поглощения образца);
  • возможность изучения динамики намагниченности частиц с очень малым или даже нулевым расщеплением по магнитному полю (для анизотропных сред);
  • потенциальная возможность томографирования свойств образцов посредством сканирования каустикой сфокусированного лазерного луча;
  • дополнительная расшифровка оптических спектров по шумовым сигналам, полученным для различных длин волн; в том числе разделение вкладов однородного и неоднородного уширения линий и разделение нескоррелированных подсистем.
Saint Petersburg State University. Spin Optics Laboratory. Site support: Evgeniy Khramtsov. (Click here to show e-mail adress)