ВВЕДЕНИЕ
2
Содержание:
4
Г ЛАВА 1. ЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ РАЗМЕРНЫЕ РЕЗОНАНСЫ В ПОЛЕ НЕПРЕРЫВНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ_______________________________11
1.1. Введение_______________________________________________________11
1.2. Двухуровневое приближение______________________________________12
1.3. Оптические уравнения Блоха.___________________________________ 14
1.4. Система взаимодействующих двухуровневых атомов в поле оптического излучения._____________________________________________________ __16
1.4.1. Усреднение по ансамблю атомов._____________________________19
1.5. Уравнения движения для атомных переменных двухатомной системы в поле излучения. . ;____________________________________________________20
1.6. Оптическое поле внутри малого объекта и индуцированные довольные моменты атомов.___________________________________________________25
1.7. Оптические размерные резонансы двухатомного наноструктурного объекта.27
1.8. Обсуждение результатов______________________________________ 34
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ГОЛОГРАММ ДВУХАТОМНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ ОБЪЕКТОВ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ РАЗМЕРНЫЕ РЕЗОНАНСЫ________________________________________36
2.1. Оптическое поле вне малого объекта.____________________________36
2.2. Линейные стационарные оптические размерные резонансы в двухатомных наноструктурных объектах . ____________________________________ 42
2.3. Нелинейные оптические размерные резонансы._____________________46
2.4 Обсуждение результа тов_________________________________________49
3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СПЕКТРОВ АНИЗОТРОПНОГО ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА НА ПОВЕРХНОСТИ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ С УЧЕТОМ АТОМНОГО ИНТЕРФЕЙСА ИЗ AS-AS ДИМЕРОВ.__________________________________________50
3.1 Введение - 50
3.2. Два взаимодействующих дипольных осциллятора на поверхности идо внутри ПОЛУБЕСКОНЕЧНОГО ИЗОТРОПНОГО ДИЭЛЕКТРИКА В ПОЛЕ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. 51
3.2.1. Погашение внешней волны на тоской поверхности с учетом двухатомного объекта на поверхности.______________________________________ 55
3.3. Эффективные поляризуемости атомов двухатомного наноструктурною объекта с учетом поляризующего влияния оптической среды при нормальном падении СВЕТА.;___________________________________________________56
3.4. Отражение плоской волны на резкой границе раздела двух сред с учетом инородных атомов._________________________________________________59
3.5. Спектроскопия анизотропного отражения чистых (001) поверхностей GaAs,
реконструированных мышьяком.________________________________________61
3.6 Обсуждение результатов__________________________________________66
4. КОГЕРЕНТНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ОТ ОДНОГО АТОМА К ДРУГОМУ ПРИ СЕЛЕКТИВНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ ОДНОГО ИЗ АТОМОВ ПОЛЕМ НЕПРЕРЫВНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ РАЗМЕРНЫЕ РЕЗОНАНСЫ. 69
3
4.1. Введение 69
4.2. КОГЕРЕНТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХ АТОМОВ В ПОЛЕ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 70
4.3. Дистанционное возбуждение локальных дипольных моментов под действием НЕПРЕРЫВНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.___________________________________ 72
4.4. Линейные стационарные оптические размерные резонансы.________________74
4.5. Перенос энергии между атомами на большие расстояния при селективном ВОЗБУЖДЕНИИ ОДНОГО ИЗ АТОМОВ ПОЛЕМ НЕПРЕРЫВНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. 77
4.6. Интерференция осциллирующих дипольных моментов взаимодействующих атомов В ПОЛЕ оптического излучения.___________________________________80
4.7. Обсуждение результатов_______________________________________________83
5. МЕТОД СКАНИРУЮЩЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ БЛИЖНЕПОЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ НА ОСНОВЕ УСИЛЕННОГО КОМБИНАЦИОННОГО ; РАССЕЯНИЯ СВЕТА____________________________________________________________84
5.1 Введение. ^ ________________________________________________________ 84
5.2 Использование теории размерных резонансов для оптической влижнепольной микроскопии.^__________________________________________________________84
5.3 Обсуждение результатов._______________________________________________93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 95
V
I
I
ВВЕДЕНИЕ
Среди многообразия известных в настоящее время наноструктурных объектов особое место занимают двухатомные объекты, например, димеры на поверхности твердых тел, атом-зонд вблизи атома образца и т.д. [1-6]. В настоящее время ведется разработка новых методов исследования наноструктурных и субнаноструктурных систем с помощью гамма- фотонов и синхротронного излучения [7,8]. Взаимодействие атомов при межатомных расстояниях порядка 1 нм во внешнем поле излучения необходимо исследовать без теории возмущений, учитывая большие внутренние поля, которые могут значительно превышать внешние поля, а тюке выделяя определённый тип квантовых переходов с соответствующими квантовыми правилами отбора. Глубокое исследование двухатомных наноструктурных объектов в значительной степени определяет понимание оптических свойств многоатомных : наноструктурных объектов. Математический аппарат для описания ближнепольного взаимодействия в наноструктурах был описан в [9-30]. Отдельные вопросы двухчастичного взаимодействия были описаны в [31-59]. В системе двух взаимодействующих дипольных осцилляторов во внешнем поле оптического излучения возникают два или четыре оптических размерных резонанса в зависимости от того, являются ли дипольные осцилляторы одинаковыми или разными, а также в зависимости от поляризации внешнего излучения по отношению к оси наноструктурного двухатомного объекта. Частоты оптических размерных резонансов сильно зависят от межатомного расстояния. При этом на малых, порядка 1 нм,
расстояниях частоты оптических размерных резонансов отличаются от
\
собственных частот дипольных осцилляторов на величину, значительно (примерно в 10? раз) превышающую времена затухания осцилляторов. При больших межатомных расстояниях, сравнимых с длиной волны внешнего оптического излучения, частоты оптических размерных резонансов отличаются от! собственных частот осцилляторов на величину порядка времени затухания осцилляторов. [60] Взаимодействие двухатомного
наноструктурного объекта с внешним оптическим излучением характеризуется диагональным тензором эффективной поляризуемости, который отличается от классической поляризуемости изолированных атомов, составляющих наноструктурный объект как по величине, так и зависимостью от частоты. Оптические размерные резонансы образуются и в трёхатомных наноструктурных объектах. По-видимому, такие резонансы должны проявляться в: различных наноструктурных объектах, состоящих из небольшого числа атомов, где влиянием статистического усреднения индуцированных дипольных моментов атомов можно пренебречь.
Свойства оптических размерных резонансов были рассмотрены в квантовых наноструктурных объектах на примере двухатомных систем. Было показано, что оптические размерные резонансы в таких системах могут сильно зависеть от вероятности обнаружения атомов в возбуждённых состояниях. При учёте насыщения квантовых переходов в наноструктурных объектах проявляются нелинейных оптические размерные резонансы. Можно сформулировать условие применимости линейного приближения, когда ролью насыщения квантовых переходов можно пренебречь, и оптические размерные резонансы являются линейными. При этом смещение частот оптических размерных резонансов по отношению к частоте перехода в спектре взаимодействующих атомов определяется в случае одинаковых атомов характерной частотой резонансной передачи энергии между атомами, которая определяет расщепление энергии симметричного и антисимметричного состояний взаимодействующих атомов [60,61].
Первым | экспериментальным подтверждением существования оптических размерных резонансов являются спектры анизотропного I отражения света на поверхности арсенида галлия, реконструированного . мышьяком. Характерные максимумы, наблюдаемые в этих экспериментах, ; обусловлены оптическими резонансами в димерах мышьяка на поверхности арсенида галлия [62,63]. Учитывая анизотропию двухатомных , наноструктурных объектов, можно организовать достаточно сложные
атомные структуры на поверхности твёрдых тел. Было показано при этом, что на основе оптических размерных резонансов возможна разработка одноатомного оптического ближнепольного микроскопа с разрешающей способностью порядка 1 нм [64].
Рассмотрено ближнепольное взаимодействие наношара с поверхностью твёрдого тела при наличии на поверхности инородных тел, например, осгровковых плёнок для объяснения экспериментов по ближнепольной оптической . микроскопии. В частности, была рассмотрена задача взаимодействия наношара, активированного примесными атомами, с полубескоыечным диэлектриком.
В последнее время большое внимание уделяется так называемым метаструктурным системам, состоящим из наноструктурных объектов. Примером такой системы может являться система примерпо из 103 активированных наношаров, которую предлагается использовать для оптического квантового компьютера. В данной диссертации будут рассмотрены некоторые метаструктурные системы из наночастиц. Мы покажем, что • такие системы обладают уникальными оптическими свойствами при отражении и преломлении света.
Методы исследования. Для решения поставленных задач и проверки исходных предположений был использован комплекс методов исследования включающий в себя изучение литературы по рассматриваемой проблеме, аналитические методы теоретического анализа, численное моделирование, методы статистической обработки полученных результатов.
Исследование проводилось в несколько этапов:
(1999-20011) - разработка теории стационарных оптических размерных резонансов в системе двух атомов (одинаковых или разных) при малых расстояниях;
(2001-2004) - исследование методов исследования наноструктур с помощью линейных стационарных оптических размерных резонансов в
сильных и слабых оптических полях, рассмотрение частных случаев использование данной теории.
(2004) - обобщение и систематизация результатов исследования.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования.
Совокупность полученных в ходе работы результатов заключает в себе решение нескольких проблем - исследование явления размерных резонансов при различных условиях расположения и облучения двухатомных систем. В соответствии с этим:
- разработана теория линейных стационарных размерных резонансов и получения интерференционной картины;
- разработана теория линейных и нелинейных оптических размерных резонансов в двухатомном наноструктурном объекте, состоящем из двух одинаковых или различных атомов, с учетом и без учета подстилающей диэлектрической среды;
- осуществлен анализ полученного решения, в результате которого была решена задача экспериментального обнаружения линейных размерных резонансов =на чистой поверхности арсенида галлия восстановленной мышьяком; :
- исследована возможность когерентной передачи энергии от одного атома к другому с использованием теории оптических размерных резонансов;
: - предложен вариант оптического ближнепольного микроскопа на основу усиленного комбинационного рассеяния света.
Практическая значимость исследования:
Содержащиеся в работе теоретические положения могут служить ос-: нованием для разработки новых методов исследования наноструктурных ; объектов на поверхности твердых тел, неразрушающего контроля и исследования микроскопических биологических объектов, стать базой для
- Київ+380960830922