Спектроскопия высокого разрешения материалов с ионами лантаноидов для люминесцентной криотермометрии

Люминесцентная термометрия – интенсивно развивающийся метод дистанционного измерения температур с высоким пространственным разрешением. Этот метод применяется в таких областях, как химические реакции, катализ, микрофлюидика, микро- и наноэлектроника, фотоника, биология и медицина. Используется зависимость характеристик люминесценции (интенсивностей и положений полос, времен затухания) от температуры. Применяются алмазы с центрами окраски, квантовые точки в полупроводниках, органические и гибридные люминофоры, микро- и нанокристаллы с ионами лантаноидов. Хорошо освоен диапазон температур 100 – 800 К, в отдельных работах сообщалось о продвижении до 30 К. В то же время, температуры ниже 30 К актуальны в аэрокосмических исследованиях, кристаллографических измерениях на синхротроне, для современных квантовых технологий. Проект направлен на разработку люминесцентного больцмановского термометра для измерения температур ниже 30 К, основанного на регистрации интенсивностей линий люминесценции с близких штарковских уровней ионов лантаноидов в кристаллах и распределения интенсивностей в сверхтонкой структуре (СТС) линий. Такой подход является новым. Планируется провести экспериментальные с высоким спектральным разрешением и теоретические исследования спектров ряда кристаллов, прежде всего LiYF4:Ho (в спектре его люминесценции мы наблюдали СТС, впервые для кристаллов [K.N. Boldyrev, B.Z. Malkin, M.N. Popova, Light: Sci. & Appl. 11 (2022) 245]), которые позволят выявить подходящие для термометрических целей оптические переходы в различных областях спектра (удобных для ряда применений) и определить такие важные для термометрии параметры как рабочая область температур, абсолютная и относительная чувствительности. Важной частью исследования будет проверка выполнимости больцмановского распределения населенностей уровней. Имеющееся у нас оборудование позволит проверить правильность измерения температуры до нижнего предела в 1.2 К. Этот предел отодвинется до 0.3 К, если осуществится запланированная в проекте покупка насадки с Не-3 на уже имеющийся криостат замкнутого цикла с Не-4. Наблюдаемые интервалы между уровнями сверхтонкой структуры и спектральное разрешение имеющейся у исполнителей проекта аппаратуры датчиком магнитного поля – для этого кроме распределения интенсивностей линий следует измерять их расщепления. В проекте будет уделено внимание разработке такого датчика.