WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Афанасьев Антон Евгеньевич

СОЗДАНИЕ АТОМНЫХ МИКРОСТРУКТУР НА

ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

КВАЗИРЕЗОНАНСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Специальность: 01.04.05 – Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико – математических наук

Москва – 2010

Работа выполнена на кафедре квантовой оптики Московского Физико–Технического Института (Государственного университета).

Научный руководитель: доктор физико–математических наук, профессор, Балыкин Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико–математических наук, профессор, Миногин Владимир Георгиевич кандидат физико–математических наук, Зибров Сергей Александрович

Ведущая организация: Международный учебно-научный лазерный центр МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва)

Защита состоится «25»ноября 2010 г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д002.014.01 при Учреждении Российской академии наук Институт спектроскопии РАН (ИСАН) по адресу:

Московская обл., г. Троицк, ул. Физическая, д.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСАН Отзывы направлять по адресу: 142190, Московская обл., г. Троицк, ул. Физическая, д.

Автореферат разослан «_» октября 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук М.Н.

Попова Актуальность темы В основе современных тенденций повышения пропускной способности каналов связи и увеличения энергоэффективности используемых приборов лежит разработка и использование электронных компонентов меньшего размера. Успех в данной области, в первую очередь, обусловлен бурным развитием кремниевой технологии, что привело к появлению широкого научного и технологического направления нанотехнология [1].

Развитие микро и нанотехнологий, происходит в трех основных направлениях: разработка новых электронных копонентов; управление единичными атомами и молекулами; разработка и изготовление наномашин, т.





е. механизмов и роботов размером с молекулу. Наибольшее развитие и применение микро- и нанотехнология получили в электронной технике при изготовлении планарных электрических схем. Выделяют два подхода к созданию структур на поверхности: "сверху-вниз"и "снизу-вверх"[2]. Подход "сверху-вниз"основан на уменьшении размеров физических тел механической или иной обработкой, вплоть до получения требуемых объектов. К данному подходу относятся методы фотолитографии, которые широко применяются в современной кремниевой технологии. Идея создания структур на поверхности с использованием подхода "снизу-вверх"заключается в сборке объекта непосредственно из его структурных элементов (атомов, молекул, фрагментов биологических клеток и т. п.), располагаемых в требуемом порядке. Этот подход можно считать обратным по отношению к привычному методу миниатюризации "сверхувниз"в котором происходит постепенное уменьшение деталей. К подходу "снизу-вверх"относятся методы самосборки, которые считаются наиболее перспективными для построения структур с атомарной точностью.

Альтернативным методом в реализации подхода "снизувверх"является использование элементов атомной оптики. Применение методов контроля степеней свободы атомов при помощи электромагнитных полей позволяет осуществлять управление атомами и молекулами, вплоть до одиночных, с нанометровой точностью. Одним из основных направлений атомной оптики является разработка элементов, подобных элементам световой оптики, таких как атомные линзы, зеркала, расщепители пучков, интерферометры, а также их практическое применение. Среди многих возможных применений атомно-оптических устройств одно применение, потенциально важное для микро и нанофабрикации материальных структур, обычно называют атомной литографией [3]. В этом методе при нанесение структур на поверхность внутренние и внешние степени свободы атомов контролируются с нанометровой точностью внешними электромагнитными полями. Поскольку этот подход использует нейтральные атомы, то он обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами. Прежде всего, стоит отметить малый фундаментальный предел пространственного разрешения, накладываемый дифракцией. Кроме того, использование нейтральных атомов, позволяет избежать сил кулоновского взаимодействия, которые ограничивают пространственное разрешение электронной и ионной литографии. Наконец, манипулирование атомами может быть реализовано параллельно, что позволяет производить одновременную обработку относительно больших поверхностей.

В последние годы были выдвинуты ряд предложений и выполнены эксперименты по нанофабрикации атомных структур сфокусированными атомными пучками. В основе методов фокусировки лежит механическое воздействие на нейтральные атомы со стороны квазирезонансного лазерного излучения.

В основе одного из первых методов фокусировки лежит использование градиентной силы, действующей на атом со стороны пространственно неоднородного электромагнитного поля сфокусированного лазерного луча [4]. Возможность создания микро и наноструктур периодической формы, при взаимодействии атома со стоячей волной, была продемонстрирована в экспериментах [5], в которых была реализована система полос из атомов хрома с шириной 65 нм. Недостатком такого метода литографии является отсутствие возможности создания атомных микро и наноструктур произвольной формы.





Для реализации наноструктур на поверхности твердого тела может быть использовано действие градиентной силы на атом со стороны неоднородного ближнего поля, возникающего вблизи субволнового отверстия в металлическом экране при его освещении лазерным излучением [6]. Анализ показывает, что такая конфигурация поля позволяет фокусировать атомный пучок, проходящий через отверстие вплоть до ангстремных размеров. Развитием концепции использования ближнего поля вблизи апертуры является построение атомной линзы на базе плоского оптического волновода с наноаппертурой. Преимуществом такой конфигурации является отсутствие взаимодействия атомов с отраженным излучением. В зависимости от конфигурации поля в полости волновода вблизи аппертуры образуется распределение ближнего поля либо с максимумом плотности в полости отверстия (фотонная точка), либо с минимумом (фотонное отверстие). Обе данные конфигурации можно использовать для фокусировки атомного пучка, пролетающего сквозь аппертуру [7].

Использование набора таких линз в одном экране позволяет одновременно напылять большое количество одинаковых наноструктур на подложку.

Одним из основных факторов влияющих на формирование микро и наноструктур на поверхности является поток атомов сталкивающихся с подложкой [8]. Управление плотностью атомов, приходящих во взаимодействие с поверхностью, а также контроль их пространственных степеней свободы являются необходимыми условиями при создании структур заданной геометрии методами атомной оптики.

Разработка методов атомной литографии и способов ее применения являются сложными и актуальными на сегодняшний день задачами.

Постановка задачи Целью данной работы являлся исследование и разработка альтернативных методов создания атомных микроструктур на поверхности твердого тела с использованием элементов атомной оптики. Данное направление работы обусловлено широким развитием представлений о механизмах управления отдельными атомами и активным исследованием методов создания структур с использованием подхода "снизу вверх". Поиск возможных применений атомной оптики для создания структур на поверхности твердого тела оправдан и заслуживает отдельного рассмотрения. В качестве методов атомной литографии в диссертациаонной работе рассматриваются следующие:

• Фокусировка атомного пучка с использованием двумерной магнито-оптической ловушки (2D МОЛ);

• Квантовая адсорбция атомов на поверхность твердого тела.

Положения защищаемые в диссертации.

• Предложена и экспериментально реализована фокусировка атомного пучка в микронный диапазон с использованием 2D • Предложен метод литографии микроструктур на поверхности твердого тела с использованием атомной фокусировки 2D • Экспериментально реализована квантовая адсорбция атомов на поверхности твердого тела с использованием неупругих столкновений атомов в присутствии квазирезонансного лазерного излучения;

• Предложен и реализован способ создания микроструктур на поверхности твердого тела с использованием квантовой адсорбции атомов.

Научная ценность работы Был предложен и экспериментально реализован режим фокусировки двумерной магнито-оптической ловушки, что позволило создать метод локального увеличения плотности атомов. Пространственные размеры области ограничены импульсной диффузией атомов, пролетающих область 2D МОЛ.

Впервые была реализована схема квантовой адсорбции атомов на поверхность твердого тела под воздействием квазирезонансного лазерного излучения. Квантовая адсорбция атомов за счет взаимодействия с полем лазерного излучения является обратным процессом к эффекту фотоиндуцированной десорбции с поверхности твердого тела. Реализованный механизм загрузки атомов в потенциальную яму ван дер Ваальса позволяет производить локализацию атомов на поверхности твердого тела с высокой точностью. Реализованная схема позволила изучить возможность создания микроструктур на поверхности подложки с использованием подходов атомной оптики.

Полученные результаты в ходе выполнения диссертационной работы являются новыми и оригинальными. Произведенные исследования актуальны как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения.

Практическое значение полученных результатов Разработка и исследование альтернативных методов реализации микро- и наноструктур на поверхности твердого тела открывает возможность для развития не только новых способов конструирования электрических схем в качестве элементной базы электроники, но и позволяет с меньшими затратами производить исследования в таких современных областях науки как наноплазмоника и нанофотоника.

Публикации по результатам диссертационной работы Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х научных статьях журналов, входящих в перечень ВАК.

• П.Н. Мелентьев, П.А. Борисов, С.Н. Руднев, А.Е. Афанасьев, В.И. Балыкин, "Фокусировка атомного пучка двумерной магнито-оптической ловушкой", Письма в ЖЭТФ, т. 83, с. 16А.Е. Афанасьев, П.Н. Мелентьев, В.И. Балыкин, "Квантовая адсорбция атомов на поверхность, индуцированная лазерным светом", Письма в ЖЭТФ, т. 86, с. 198-203 (2007).

• А.Е. Афанасьев, П.Н. Мелентьев, В.И. Балыкин, "Атомная поверхностная ловушка на основе квантовой адсорбции атомов", Известия Российской академии наук, серия физическая, т. 72, с. 701-706 (2008).

• A. E. Afanasiev, P. N. Melentiev, and V. I. Balykin, "Atom Surface Trap Based on Laser-Induced Quantum Adsorption", Proc. SPIE, V. 7024, p. 702402 (2008).

Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Института Спектроскопии, на научном семинаре Университета электро-коммуникаций (Япония), а также на Российских и международных научных конференциях:

• Симпозиум по передовым приложениям лазеров - "Atom beam focusing by 2D MOT", Берлин, Дрезден, Германия, 21 - 26 мая (2005).

• 49-я научная конференция МФТИ - "Квантовая адсорбция атомов на поверхность, индуцированная лазерным светом"(2006).

• 50-я научная конференция МФТИ - "Атомная поверхностная ловушка на основе квантовой адсорбции атомов"(2007).

• П.Н. Мелентьев, А.Е. Афанасьев, В.И. Балыкин - "Метод создания наноструктур на поверхности на основе квантовой адсорбция атомов, индуцированной лазерным излучением", XII Международный Симпозиум по Нанофизике и Наноэлектронике, Н. Новгород, 10 - 14 марта (2008).

• A.E. Afanasiev, P.N. Melentiev, V.I. Balykin - "Atom surface trap based on energy pooling collisions", German-Russian Lasersymposium, 12-18 April,Luebeck, Rostock and Hamburg, (2008).

• A.E. Afanasiev, P.N. Melentiev, V.I. Balykin - "Atom surface Trap", International Symposium on Physics of Cold Trapped Atoms, Trondheim, Norway, June 30 - July 04 (2008).

• П.Н. Мелентьев, А.Е. Афанасьев, В.И. Балыкин - "Метод создания наноструктур на поверхности на основе квантовой адсорбции атомов, индуцированной лазерным излучением", Российское совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники "Фотоника - 2008", Новосибирск, август, Россия (2008).

• A.E. Afanasiev, P.N. Melentiev, V.I. Balykin - "Control of laser adsorption by laser light", The fth international symposium Modern Problems of Laser Physics, Новосибирск, 24-30 августа, • П.Н. Мелентьев, А.Е. Афанасьев, Д.А. Лапшин, В.И. Балыкин, А.В. Заблоцкий, А.А. Кузин, А.С. Батурин, Ю. Агафонов, А.Ф.

Вяткин, В.А. Скуратов, П.Ю. Апель - "Атомная Нанолитография", школа молодых ученых "Современные проблемы лазерной физики"(2009).

Структура и объём диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав и заключения. Работа изложена на 109 страницах, включая 62 рисунка и таблицы. Список литературы содержит 119 наименований.

Краткое содержание работы В главе 1 "Введение"произведен анализ литературы характеризующей существующие методы создания микро и наноструктур на поверхности твердого тела. Наиболее развитыми способами создания структур на поверхности подложек относятся к подходу "сверхувниз". В качестве альтернативных методов литографии рассмотрены подходы атомной оптики, которые относятся к методам "снизувверх". Основным элементом атомной литографии является техника фокусирования атомных пучков, которая может быть использована как при непосредственной атомной литографии, так и для повышения локальной плотности атомов.

На основании произведенного анализа существующих методик литографии и предложенных альтернативных методов была обоснована актуальность выбранной темы. Определена цель и задачи диссертационной работы.

В главе 2 "Динамика атомов вблизи и на поверхности твердого тела при формировании атомных структур"рассмотрена динамика атомов при взаимодействии с поверхностью твердого тела. Взаимодействие атомов с поверхностью приводит к адсорбции атомов, которая является одним из основных процессов при создании атомных микроструктур на поверхности твердого тела. Помимо этого на процесс формирования атомных структур влияет динамика атомов на поверхности подложки. Динамика атомов вблизи поверхности твердого тела рассматривается в приближении взаимодействия ван дер Ваальса.

Адсорбция атомов на поверхность подложки приводит к увеличению плотности атомов на поверхности твердого тела. Каждый атом обладает временем жизни в потенциале ван дер Ваальса и может покинуть его приобретя энергию за счет взаимодействия с фононными колебаниями поверхности. Характерное время жизни атома на поверхности твердого тела составляет сотни микросекунд. В течении этого времени атом диффундирует вдоль поверхности подложки в процессе которой возможны парные столкновения с образованием более стабильных во времени островов. Скорость диффузии определяется свойствами поверхности и атома. Помимо диффузии островки могут зарождаться при непосредственной адсорбции атомов вблизи друг-друга.

Стабильность островов и скорость роста структуры зависит от свойств подложки, материала и потока атомов адсорбата. Основной характеристикой при определении внутреннего строения структуры является свободная поверхностная энергия материалов. В частности шероховатость создаваемой структуры зависят от соотношения этих энергий. На основании описанной теории приведен аппарат оценки структуры и скорости роста островов.

Отдельно рассмотрены существующие и наиболее распространенные методы зондирования поверхности. Представлен аналитический аппарат регистрации атомных микроструктур по рассеянному излучению.

Глава 3 "Фокусировка атомного пучка для применения в литографическом процессе"посвящена исследованию возможности создания атомных микроструктур на поверхности твердого тела с использованием методов атомной оптики пространственного контроля атомных пучков. Предложен метод использования квадрупольного магнитного поля совместно с двумерной конфигурацией + поляризованного лазерного излучения для фокусировки теплового атомного пучка в область микронного размера.

Динамика центра масс атома в поле световой волны длина которой много много больше размеров атома определяется электрическим дипольным взаимодействием. Взаимодействие индуцированного излучением дипольного момента с электрическим полем электромагнитной волны приводит к появлению силы, действующей на атом со стороны поля. Полная сила состоит из суммы двух сил: силы радиационного давления Frp и дипольной градиентной силы Fgr [9].

где G(r) = I(r)/Isat -параметр насыщения атомного перехода.

В работе исследуется метод фокусировки атомного пучка с использованием силы радиационного давления, которая позволяет контролировать траектории движения атомов пучка. Анализ выражения 2 показывает, что величина силы, действующей на атом, резонансным образом зависит от отстройки лазерного излучения и скорости атома. Изменение направления траектории атома, вызванное действием силы светового давления, характеризуется изменением скорости атома, что приводит к уменьшению силы взаимодействия в следствии эффекта Доплера. Компенсация описанного процесса производится за счет эффекта Зеемана взаимодействия атома с магнитным полем [10] величина которого зависит от структуры атома и определяется величиной.

В двумерной магнито-оптической ловушке в направлении каждой из осей x и y действует по два циркулярно поляризованных лазерных луча, один из которых + -поляризован, в то время как второй -. Помимо такой конфигурации лазерных полей в конфигурации 2D МОЛ используется квадрупольное в плоскости xy поле, компоненты которого линейно зависят от координаты (Bx = ax, By = ay, где a - градиент магнитного поля), что приводит к зависимости силы светового давления 2 от координаты. Таким образом на атом, находящийся в поле действия 2D МОЛ по каждой из осей x и y действует сила:

Траектории атомов, пролетающий вдоль оси z и испытывающих действие данной силы, были рассчитаны при помощи компьютерного моделирования. Анализ выражения для силы и данных расчетов показал возможность острой фокусировки для выбранной скоростной группы атомов. При этом фокусное расстояние f такой атомной линзы определяется из соотношения:

где b = µB a/ приведенный градиент магнитного поля, k - волновой вектор поля.

Размер перетяжки атомного пучка в фокусе определяется следующими факторами: 1)диффузия импульса, вызванная стохастической природой силы светового давления; 2) пространственная неоднородность лазерного поля; 3) пространственная неоднородность магнитного поля; 4) начальный разброс поперечных скоростей. При типичных параметрах 2D МОЛ размер перетяжки в фокусе составляет величину 208 мкм.

Экспериментальное исследование фокусировки пучка атомов двумерной магнито-оптической ловушкой производилось с использованием атомов рубидия. Экспериментальная установка состояла из вакуумной камеры, двух лазерных систем и ряда детекторов излучения. Вакуумная камера откачивалась с использованием диффузионных насосов до давления остаточных паров 3 107 Торр. Для получения атомного пучка использовалась атомная пушка, основанная на термическом нагреве небольшого количества металлического рубидия. Использованные при проектировании атомного источника конструктивные решения позволили создать атомный пучок с высокой плотностью атомов вблизи оси и обогащенной низкоскоростной частью максвелловского скоростного распределения.

Использованные лазерные системы были реализованы на основе коммерческих одномодовых лазерных диодах с длиной волны нм. Для осуществления цикличности взаимодействия атомов рубидия с полем лазерного излучения использовалась СВЧ модуляция тока лазерного диода. В этом случае в спектре излучения формируются линии излучения на частотах отстающих от несущей на величину модуляции [11]. Для увеличения мощности силового лазерного излучения использовался лазерный усилитель. При этом частота Рис. 1: Фокусировка атомного пучка в 2D МОЛ с продольными скоростями 100 м/с.

излучения стабилизировалась с использованием техники активной стабилизации частоты DAVLL.

Регистрация пространственного распределения атомов производилась с использованием ПЗС-матрицы SPEC-10 производства компании Princeton Instruments. В ходе измерений регистрировалась амплитуда флюоресценции атомов, возбуждаемая резонансным лазерным излучением.

На рисунке 1 представлены полученные в эксперименте профили пространственного распределения атомов с продольной скоростью 100 м/с. При выключенных магнитном и лазерном полях наблюдается широкий атомный пучок шириной 2,5 мм. После включения лазерного поля происходит демпфирование поперечных скоростей атомов, что приводит к незначительномму ссужению пространственного распределения атомного пучка и увеличению его плотности. После включения магнитного поля с градиентом a=10 Гс/см происходит резкая фокусировка пучка в область с перетяжкой порядка 270 мкм.

Для компенсации магнитного поля Земли использовались катушки Гемгольца, что позволило улучшить характеристики фокусировки.

Атомы различных скоростных групп фокусируются в различные точки пространства, на расстояниях линейно зависящих от продольной скорости атомов. Данное обстоятельство может быть использовано для скоростной монохроматизации теплового пучка атомов Рис. 2: Скоростная монохроматизация атомов при их фокусировке 2D МОЛ и пространственной селекции в фокальной плоскости.

Сплошная кривая показывает первоначальное скоростное распределение атомов пучка. Точками представлено скоростное распределение после включения 2D МОЛ. а) Точка фокусировки лежит на оси атомного пучка; б) ось атомного пучка и ось 2D МОЛ составляют угол 2o между собою.

путем размещения в пространстве диафрагмы, что аналогично пространственной фильтрации оптического излучения. Результаты изменения скоростного распределения пучка после помещения в фокальную плоскость отверстия диаметром 120 мкм представлены на рисунке 2а). Сплошная кривая показывает первоначальное скоростное распределение атомов пучка. Точками представлено скоростное распределение после включения 2D МОЛ. Из графика видно, включение 2D МОЛ приводит к существенному изменению скоростного распределения: возникает максимум распределения вблизи скоростной группы 90 м/с. Этот пик соответствует атомам теплового пучка, которые фокусируются в районе диафрагмы. Видно, что количество прошедших атомов на скорости 90 м/с увеличивается в 40 раз после включения 2D МОЛ. Наклон оси распространения атомного пучка относительно оси 2D МОЛ на угол 2o позволили увеличить степень монохроматизации пучка 2б. В силу этого наиболее вероятная скорость атомов в пучке уменьшается с 340 м/с до 100 м/с. Ширина полученного контура распределения на полувысоте равна 60 м/с, что существенно меньше изначального ( 350 м/с).

Экспериментальные исследования показали, что использование конфигурации постоянного магнитного и квазирезонансного электромагнитного полей позволяет осуществлять как высокую монохроматизацию теплового атомного пучка, так и его высокую степень фокусировки. Последнее обстоятельство делает возможным использование описанной конфигурации атомной линзы при создании атомных структур на поверхности твердого тела или для локального повышения плотности атомов в области атомных микролинз [6].

Глава 4 "Создание атомных микроструктур при квантовой адсорбции атомов, индуцированной лазерным излучением"посвящена контролю скорости адсорбции атомов на поверхность твердого тела при помощи квазирезонансного лазерного излучения. Контроль адсорбции атомов на поверхность твердого тела с использованием лазерного излучения имеет устоявшееся в литературе название "квантовая адсорбция". Теоретически предложенная в литературе схема адсорбции атомов аналогична фотоассоциации атомов друг с другом [12]. В случае взаимодействия атома с поверхностью твердого тела, предполагается, что атом занимает один из энергетических уровней в потенциальной яме ван дер Ваальса за счет взаимодействия с квазирезонансным электромагнитным полем.

При рассмотрении динамики атомов рубидия вблизи поверхности твердого тела были численно рассчитаны уровни энергии атома в потенциальной яме ван дер Ваальса вблизи поверхности кристалла YAG. Используя эти результаты был произведен расчет вероятностей фотоассоциации атомов рубидия с поверхностью твердого тела.

Данный расчет подтвердил результаты других научных групп о низкой эффективности предложенного процесса фотоассоциации.

В главе 4 также предложен и экспериментально реализован альтернативный способ квантовой адсорбции. Предложенный метод основан на использовании неупругих столкновений возбужденных атомов вблизи поверхности твердого тела. Процесс столкновения возбужденных атомов щелочных металлов широко известен в литературе [13]. Облучение плотных атомных паров (5 102 Торр) квазирезонансным лазерным излучением приводит к появлению стационарной концентрации атомов в возбужденном состоянии. В процессе столкновения таких атомов возможен процесс обмена энергиями, в частности, возможен процесс релаксации одного из атомов в основное состояние с передачей энергии второму атому. Это приводит к возбуждению атома на высоколежащие энергетические уровни. При этом в эксперименте наблюдается флуоресценция с этих уровней.

Для атомов щелочных металлов процесс неупругих столкновений с последующим возбуждением одного из атомов проходит в соответствии со следующей реакцией:

где X(n l 2 LJ ) высоковозбужденный уровень с энергией примерно равной удвоенной энергии уровня np. Величина E является дефектом энергии, рассматриваемого процесса. В случае атомов рубидия, описанный процесс возникает при столкновении двух атомов находящихся в первом возбужденно состоянии отвечающему терму 5P3/2.

При этом дальнейшее возбуждение одного из атомов происходит на уровень 5D. Дефект энергии такого процесса составляет 68cm1.

В этом случае реакция 7 является эндоэргической и приводит к потере кинетической энергии 8, 3meV, что соответствует температуре 100 К.

При реализации описанного процесса вблизи поверхности твердого тела возможна релаксация атома в основное связанное с поверхностью состояние, отвечающее одному из энергетических уровней в потенциальной яме ван дер Ваальса. На основании известного сечения реакции = (3 ± 1.5)x1014 см2 были произведены оценки потока адсорбируемых поверхностью атомов при температуре T=500 К и интенсивности лазерного излучения 170 мВт/см2. При данных условиях количество актов неупругих столкновений в процессе которых происходит возбуждение на уровень 5D, а, следовательно, и потеря кинетической энергии системой двух атомов равно F = 4, см3 с1. Отсюда, поток осаждаемых за счет неупругих столкновений атомов равен N collision = F l = 4.9 1010 см2 с1, где l - величина области потенциала ван дер Ваальса в котором может происходит адсорбция атомов. При таких параметрах на поверхности кристалла YAG возможен рост атомных структур. При этом рост обусловлен адсорбцией атомов в непосредственной близости с ранее адсорбированными атомами поскольку величина диффузии атомов на поверхности кристалла YAG мала. Анализ свободных энергий поверхности кристалла YAG и металлического рубидия покачал, что рост атомных структур происходит в соответствии с механизмом Франка - ван дер Мерве. Характерное расчетное время роста атомных структур в Рис. 3: Спектральная зависимость эффекта квантовой адсорбции атомов на поверхность кристалла YAG.

описанных условиях составляет величину t = 7300 с.

Экспериментальные исследования квантовой адсорбции основанной на неупругих столкновениях атомов вблизи поверхности твердого тела проводились с использованием сапфировой ячейки с окнами изготовленными из кристалла YAG. В процессе исследований регистрировалось два сигнала: сигнал рассеяния адсорбированных атомов и величина флуоресценции на длине волны 420 нм, который соответствует переходу атомов рубидия 6P 5S (уровень 6P заселяется в силу переходов 5D 6P ). Рассеяние излучения от атомных структур, создаваемых на поверхности твердого тела детектировалось двумерной ПЗС-матрицей, что давало возможность изучать как величину сигнала рассеяния, так и форму создаваемой структуры. В экспериментах по квантовой адсорбции использовалось промышленные одномодовые лазерные диоды с внешним резонатором.

Длина волны излучения которых была настроена в резонанс с D линией рубидия (780 нм). Во время экспериментов частота контролировалась по поглощению в реперной ячейке, а также при помощи эталона Фабри-Перо.

В ходе экспериментов было установлено, что при включении силового лазерного излучения на поверхности окна образуется структура состоящая из адсорбированных атомов рубидия. Эта структура Рис. 4: Создание атомных микроструктур на поверхности окна ячейки с использованием квантовой адсорбции атомов: а) фотография реализованных полос; б) дифракция зондирующего лазерного излучения на реализованной амплитудной дифракционной решетке.

повторяет форму лазерного пятна. Измерение зависимости сигнала квантовой адсорбции атомов на поверхность от частоты силового лазера проводилось при температуре 215 o C. На графике 3 представлена зависимость сигнала рассеяния структуры из адсорбированных на поверхность окна ячейки атомов в зависимости от частоты силового лазера. Так же на графике представлена спектральная зависимость флуоресценции на длине волны 420 нм и сигнал поглощения паров рубидия при комнатной температуре из реперной ячейки. Совпадение спектральных зависимостей квантовой адсорбции и флуоресценции с высоковозбужденных уровней рубидия показывает связь квантовой адсорбции и неупругих столкновений с переносом энергии.

Эффекта квантовой адсорбции атомов позволяет создавать атомные микроструктуры заданной геометрии на поверхности окна ячейки. Этого можно добиться путем введения желаемой картины в пространственное распределение интенсивности силового лазера. Экспериментально это было реализовано с использованием зеркала Френеля. Таким образом на поверхности окна ячейки создавалась интерфенционная картина с периодом 20 мкм 4а). Реализованная за счет квантовой адсорбции система полос является амплитудной дифракционной решеткой для падающего зондирующего лазерного излучения. Дифракция зондирующего лазерного излучения наблюдалась экспериментально и представлена на рисунке 4б).

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

Основные результаты • Теоретически исследован способ фокусировки атомных пучков двумерной магнито-оптической ловушкой;

• Создан уникальный экспериментальный комплекс по изучению фокусировки атомных пучков атомов рубидия двумерной магнито-оптической ловушкой;

• Продемонстрирована фокусировка атомов рубидия в область с размером порядка 270 мкм;

• Продемонстрирован способ монохроматизации атомного пучка при использовании фокусировки двумерной магнитооптической ловушкой;

• Предложен способ создания атомных микроструктур на поверхности твердого тела;

• С использованием компьютерного моделирования исследована динамика атомов на поверхности твердого тела;

• Теоретически исследована квантовая адсорбция атомов за счет процесса фотоассоциации атомов рубидия с поверхностью кристалла YAG;

• Предложен способ реализации квантовой адсорбции атомов посредством неупругих столкновений вблизи поверхности твердого тела;

• Впервые экспериментально продемонстрирована квантовая адсорбция атомов рубидия на поверхности кристалла YAG;

• Продемонстрирована возможность создания атомных микроструктур на поверхности подложки за счет квантовой адсорбции атомов с разрешением 20 мкм.

Литература [1] Nanotechnology. Integrated Processing Systems for Ultra-Precision and Ultra-Fine Products. Ed. N. Taniguchi et al. - Oxford: Oxford University Press, 406 p (1996).

[2] Н. Кобаяси, "Введение в нанотехнологию", ред. Л.Н. Патрикеев, Москва Бином. Лаборатория знаний (2005).

[3] J.J. McClelland, "Nanofabrication via Atom Optics", in Handbook of Nanostructured Materials and Technology, Academic Press, Cambridge (1999).

[4] J.E. Bjorkholm, R.R. Freeman, A. Ashkin, and D.B. Pearson, "Observation of Focusing of Neutral Atoms by the Dipole Forces of Resonance-Radiation Pressure", Phys. Rev. Lett., v. 41, p. (1978).

[5] J.J. McClelland, R.E. Scholten, E.C. Palm, and R.J. Celotta, "Laser-Focused Atomic Deposition", Science v. 262, p. 877 (1993).

[6] V.I. Balykin., V.V. Klimov, V.S. Letokhov, "Laser near-eld lens for atoms", J. Phys. II France, v. 4, p. 1981 (1994).

[7] V. I. Balykin, V. V. Klimov, and V. S. Letokhov, "Atom Nanooptics Based on Photon Dots and Photon Holes", JETP Letters, v. 78, p.

8 (2003).

[8] H. Brune, "Microscopic view of epitaxial metal growth: nucleation and aggregation", Surface science reports, v. 31, pp. 121-229 (1998).

[9] V.I. Balykin, V.G. Minogin, V.S. Letokhov, "Electromagnetic trapping of cold atoms", Rep. Prog. Phys., v. 63, p. 1429 (2000).

[10] W.D. Phillips, "Laser cooling and trapping of neutral atoms", Nobel Prize Lecture (1997).

[11] П.Н. Мелентьев, "Лазерное зеемановское охлаждение атомов и их динамика в квадрупольной ловушке", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук [12] E. G. Lima, M. Chevrollier, O. Di Lorenzo, P. C. Segundo, M.

Ori, "Long-range atom-surface bound states", Physical Review A, Volume 62, 013410, (2000).

[13] M. Allegrini, G. Alzetta, A. Kopystynska, L. Moi, and G. Orriols, "Electronic energy transfer induced by collision between two excited sodium atoms", Opt. Commun., v. 19, p. 96 (1976).



 
Похожие работы:

«Ольшуков Алексей Сергеевич Методы определения пространственного положения частиц по данным, полученным из цифровых голограмм Специальность 01.04.05 – оптика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Томск – 2012 Работа выполнена на кафедре Оптико-электронных систем и дистанционного зондирования в Национальном исследовательском Томском государственном университете. Научный кандидат физико-математических наук, руководитель: доцент...»

«ГНЕЗДИЛОВ ОЛЕГ ИВАНОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ СПИН-ЗАВИСИМЫХ ФОТОИНДУЦИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ В РАСТВОРАХ МЕТОДАМИ ЯМР И ЭПР СПЕКТРОСКОПИИ 01.04.17 - химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казань - 2011 Работа выполнена в отделе химической физики Учреждения Российской академии наук Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН Научный...»

«Рыскина Лилия Леонидовна ПРИМЕНЕНИЕ БРСТ-БФВ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЛАГРАНЖЕВОЙ ФОРМУЛИРОВКИ В ТЕОРИИ МАССИВНЫХ ФЕРМИОННЫХ ПОЛЕЙ ВЫСШИХ СПИНОВ И ТЕОРИИ АНТИСИММЕТРИЧНЫХ БОЗОННЫХ И ФЕРМИОННЫХ ПОЛЕЙ. 01.04.02 Теоретическая физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Томск – 2010 Работа выполнена на кафедре теоретической физики ГОУ ВПО Томский государственный педагогический университет Научный руководитель : доктор...»

«ЮДИН Алексей Николаевич МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОСКОПИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук Казань 2008 Работа выполнена на кафедре квантовой электроники и радиоспектроскопии...»

«ЛЫСОВА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА Атомно-силовая микроскопия сегнетоэлектрических микро- и нанодоменных структур 01.04.18 – Кристаллография, физика кристаллов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук МОСКВА 2011 2 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН. Научный руководитель : Кандидат физико-математических наук Гайнутдинов Радмир Вильевич Официальные оппоненты : Доктор...»

«Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск) Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор Кабов Олег Александрович Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, профессор Кузнецов Гений Владимирович Барташевич Мария Владимировна доктор технических наук Григорьева Нина Ильинична ДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В РУЧЕЙКОВЫХ ТЕЧЕНИЯХ И КАПЛЯХ ЖИДКОСТИ Ведущая...»

«С.В. Кузиков Официальные оппоненты доктор физико-математических наук С. В. Самсонов кандидат физико-математических наук ВИХАРЕВ Александр Анатольевич Г.Д. Богомолов Ведущая организация Институт электрофизики УрО РАН КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ КОМПРЕССОРЫ МОЩНЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ ИМПУЛЬСОВ Защита состоится 27 июня 2011 г. в 15 часов на заседании...»

«ВЯЛЫХ ДЕНИС ВАСИЛЬЕВИЧ Гибридизация электронных состояний и особенности тонкой структуры зон в твердотельных системах 01.04.07 – физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ – 2012 Работа выполнена на физическом факультете ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного университета и институте физики твердого тела Технического университета Дрездена Научные консультанты: Доктор...»

«Поспелов Евгений Анатольевич ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕРАВНОВЕСНОГО КРИТИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ СТРУКТУРНО НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ СИСТЕМ 01.04.02 — теоретическая физика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Омск — 2014 Работа выполнена на кафедре теоретической физики физического факультета Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского. Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор Прудников Владимир...»

«ГАВАШЕЛИ ДАВИД ШОТАЕВИЧ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ДИЭЛЕКТРИКАХ С ФРАКТАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук НАЛЬЧИК 2012 Работа выполнена на кафедре теоретической физики ФГБОУ ВПО Кабардино-Балкарский государственный университет имени Х.М. Бербекова доктор физико-математических наук Научный руководитель : Рехвиашвили...»

«Токарев Илья Владимирович Нейтрино в движущихся замагниченных средах и новые астрофизические эффекты Специальность 01.04.02 – теоретическая физика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2014 Работа выполнена на кафедре теоретической физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Научный руководитель : Студеникин Александр Иванович, доктор физико-математических наук,...»

«Айш Мохаммед Махмуд Мохаммед Исследование особенностей деформации и разрушения нановолокон металлов и сплавов в зависимости от их формы и размеров Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Барнаул – 2014 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова...»

«Гадиев Тимур Артурович ДВУМЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ЯМР NOESY В ИЗУЧЕНИИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ МОНОМЕРНЫХ И ДИМЕРНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ КАЛИКС[4]АРЕНОВ В РАСТВОРАХ 01.04.07 — физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание уч ной степени е кандидата физико-математических наук...»

«СМИРНОВ Сергей Сергеевич АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ В МАГНЕТИКАХ С ОРИЕНТАЦИОННЫМИ ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ 01.04.11 – физика магнитных явлений АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Тверь – 2007 Работа выполнена на кафедре магнетизма Тверского государственного университета. Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Пастушенков Ю.Г. Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, доцент...»

«Морилова Виктория Михайловна ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБОНИЗАЦИИ ПОЛИВИНИЛИДЕНФТОРИДА МЕТОДАМИ ЭМИССИОННОЙ И АБСОРБЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ 01.04.07. – Физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Челябинск – 2014 Работа выполнена на кафедре физики и методики обучения физике Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Челябинский государственный...»

«ИЛЬИНА ИННА ВЯЧЕСЛАВОВНА ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ГИБРИДНЫМИ МЕТОДИКАМИ НА ОСНОВЕ АЛГОРИТМОВ ЛОКАЛЬНОГО И ГЛОБАЛЬНОГО ПОИСКА Специальность 01.04.21 – лазерная физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2010 Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Научный...»

«САВИНКОВ Андрей Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ЯМР/ЯКР НЕОДНОРОДНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДОВ И СПИНОВ В ПЛОСКОСТИ CuO2 КУПРАТНЫХ ОКСИДОВ ТИПА 123 Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казань Работа выполнена на кафедре...»

«НИРОВ Хазретали Сефович КЛАССИФИКАЦИЯ, СИММЕТРИИ И РЕШЕНИЯ ТОДОВСКИХ СИСТЕМ Специальность: 01.04.02 теоретическая физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Москва 2009 год Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерных исследований РАН Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук профессор А. К. Погребков доктор физико-математических наук профессор Г. П. Пронько доктор...»

«КРАШЕНИННИКОВ Игорь Васильевич ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ЗАДАЧ МНОГОЧАСТОТНОГО НАКЛОННОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ 01.04.03 - радиофизика Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Троицк – 2011 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН) Научный консультант...»

«ГОЛЫШЕВ АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ 01.04.17 – Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Черноголовка 2008 Работа выполнена в Институте проблем химической физики РАН. Научный руководитель : доктор физико-математических наук, Молодец Александр Михайлович Официальные оппоненты :...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.