Высокочастотная микроволново-оптическая спектроскопия конденсированных систем и наноструктур и разработка нового поколения ЭПР-ОДМР спектрометров высокочастотного диапазона

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), открытый Завойским в Казани в 1944 году, является одним из самых мощных аналитических методов, доступных сегодня для физиков, химиков, биологов. Основанные на ЭПР методы радиоспектроскопии такие, как электронное спиновое эхо, двойные резонансы в виде оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) и двойного электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР) являются наиболее прямыми и информационными методами исследования структурных свойств конденсированных систем, включая живую материю, а также наноструктур и объектов нанобиотехнологий. Направление развития современных технологий - миниатюризация элементной базы микро- и оптоэлектроники, спинтроники. Любой прибор с наноразмерными характеристиками неизбежно будет проявлять элементы квантового поведения. Спин является чисто квантовомеханическим объектом, поэтому спиновые явления начинают играть решающую роль при разработке различных приборов и устройств на основе наноразмерных структур, а также в нанобиотехнологиях, при этом методы магнитного резонанса составляют основу для изучения спиновых явлений в природе, неразрушающего контроля и диагностики материалов. Применение этих методов в современной науке чрезвычайно актуально, наблюдается быстрый рост исследований в различных мировых центрах, о чем свидетельствует резкий рост числа публикаций за последние годы. Традиционный метод ЭПР, вследствие сравнительно низкой чувствительности, имеет ограниченное применение для исследования систем пониженной размерности, объектов нанобиотехнологий, характеризующихся малыми количествами спиновых моментов. Основным требованием при изучении таких систем является повышение чувствительности магнитного резонанса, что возможно только путем повышения рабочих частот или использованием оптических методов регистрации магнитных резонансов. Именно поэтому в последние годы ЭПР спектроскопия получила бурное развитие в направлении увеличения микроволновой частоты. Необходимость перехода на высокие частоты также диктуется более высоким спектральным разрешением. Высокочастотная ЭПР спектроскопия позволяет проводить исследование и неразрушающий контроль малых объемов вещества, вплоть до 10-3 мм3 (квантовых точек, кристаллов протеинов, тонких пленок, кожных поверхностей, живой материи и т.д.). Другим эффективным подходом к повышению чувствительности метода ЭПР является замена кванта малой энергии микроволнового диапазона на кванты оптического диапазона с энергией на много порядков большей, что приводит к беспрецедентному увеличению чувствительности. Проект предполагает использование уникальных возможностей радиоспектроскопии и микроволново-оптической спектроскопии для исследования и диагностики наноструктур на молекулярном уровне с целью оптимизации нанотехнологий. В результате предполагается развитие новой области спектроскопии - радиоспектроскопии наноструктур. Будут исследованы наноструктуры, созданные на основе полупроводниковых материалов A3B5, A2B6, A4B4 и A1B7, полумагнитные наноструктуры, ферроэлектрики, представляющие интерес для микро- и оптоэлектроники, а также для внедрения их в полимерные материалы и биофизические объекты. В исследованиях будут использованы методы микроволново-оптической спектроскопии, развитые исследовательской группой, приоритет которой общепризнан в мире: оптически детектируемый циклотронный резонанс, ОДМР, спектроскопия антикроссинга уровней, многоквантовая спектроскопия, регистрация магнитного резонанса по микроволновой проводимости и магнитному циркулярному дихроизму. Эти методы, обладая высокой информативностью радиоспектроскопии, имеют характерную для оптики высокую чувствительность, позволяют регистрировать магнитный резонанс для малых спиновых концентраций вплоть до регистрации ЭПР на одиночных дефектах и квантовых точках. В рамках проекта будет разработан высокочастотный ЭПР-ОДМР спектрометр, который выгодно комбинирует оба подхода к повышению чувствительности метода: высокую частоту и оптическое детектирование магнитного резонанса.