Transcript Lineáris dikroizmus/kettőstörés

BME kutatóegyetemi pályán - 2011.
Szélessávú polarizáció-modulációs spektroszkópia
mágneses és biológiai alkalmazásai
Kézsmárki István, Fizika Tanszék
Optikai spektroszkópia csoport
• Bordács Sándor, doktorjelölt
• Demkó László, PhD
MSc-s diákok:
• Butykai Ádám
• Kocsis Vilmos
• Orbán Ágnes
• Szaller Dávid
• Polarizáció-modulációs méréstechnika elve
• Mire jó? Érintett tudományterületek
• Szélessávú polarizáció modulációs spektrométer
• Saját kutatások
Modulációs méréstechnikák
y
x
+
…
A fény polarizációs állapotai
Lineáris
dikroizmus/kettőstörés
Cirkuláris
dikroizmus/kettőstörés
Polarizáció moduláció fotoelasztikus modulátorral (PEM)
optikai kristály
piezo
piezo
E
Dikroizmus » Intenzitásmoduláció
δ(t)=λ/2·sin(2πft)
Cirkuláris dikroizmus (CD):
Alapharmónikus, If = I0 sin(2πft)
Lineáris dikroizmus (LD):
Másodharmónikus, I2f = I0 sin(4πft)
δ(t)=λ/4·sin(2πft)
Polarizáció moduláció fotoelasztikus modulátorral (PEM)
Polarizációs
ellipszometria
λ/4
CD ~ If/Idc
CK ~ I2f/Idc
λ
Polarizációs
ellipszometria
λ/2
λ
LD ~ I2f/Idc
LK ~ If/Idc
Polarizáció moduláció fotoelasztikus modulátorral (PEM)
MIÉRT PEM?
• Polarizációs ellipszometria
•Tisztán csak alapharmónikus
•Stabil modulációs frekvencia, tipikusan f=50kHz
• Széles hullámhossztartományt lefed (UV-IR)
FAR-INFRARED
?
• Polarizáció-modulációs spektroszkópia elve
• Mire jó? Érintett tudományterületek
• Szélessávú polarizáció modulációs spektrométer
• Saját kutatások
Természetes cirkuláris dikroizmus/kettőstörés,
királis anyagok
Enantiomerszelektív katalízis
Fehérjeszerkezet-meghatározás
Magnetoelektromos kristályok
Mágneses cirkuláris dikroizmus/kettőstörés,
mágneses anyagok
Faraday, MOKE, MCD
Ciklotron rezonancia
1845. – Faraday, 1877. J. Kerr
1910. - P. Drude
W. Voigt
H. Lorentz
ESR
1944. – Y. Zavoisky
B. Bleaney
Faraday (1845):
Magneto-optikai forgatás
-B
NMR
1938. – I. Rabi
F. Bloch
E.M. Purcell
Hall
1879. - E. Hall
+B
-θ +θ
XMCD
Lineáris dikroizmus/kettőstörés
Alacsony szimmetriájú/dimenziós
kovácskovácsanyagok
Deformáció, megmunkálási
feszültség
Folyadékkristályok
• Polarizáció-modulációs spektroszkópia elve
• Mire jó? Érintett tudományterületek
• Szélessávú polarizáció modulációs spektrométer
• Saját kutatások
Szélessávú polarizációs spektrométer
λ/4
λ
Idc(x) ~∫I(λ)·cos(2πx/λ)dλ
Idc(λ)
If(x) ~∫If(λ)·cos(2πx/λ)dλ FFT CD(λ)=If(λ)/Idc(λ)
I2f(x)~∫I2f(λ)·cos(2πx/λ)dλ
CK(λ)=I2f(λ)/Idc(λ)
Időskálák
Tdetektor < TPEM < Tlock-in < Tspektrometer
~1μs
20μs
~0.1-1ms
~1ms
Szélessávú polarizációs spektrométer
Látható-közép infravörös
Távoli infravörös - THz
Iref(x) ~∫[I(λ)-I(λ)]ref·cos(2πx/λ)dλ
Iref(λ)
ΔIC(x) ~ ∫ΔIC(λ)·sin(2πx/λ) dλ
FFT CD(λ)=ΔI (λ)/I (λ)
C
ref
ΔIL(x) ~ ∫ΔIL(λ)·cos(2πx/λ) dλ
LD(λ)=ΔIL(λ)/Iref(λ)
Szélessávú polarizációs spektrométer
FT-IR (Varian 670)
Optikai rácsos (Cornerstone)
Infravörös: 80meV,
700cm-1, 14μm
UV: 6eV,
48000cm-1, 200nm
Pontosság
• Polarizációelfordulás, ellipticitás ~ milifok
• Relatív változás Δn/n~10-5-10-4
• Polarizáció-modulációs spektroszkópia elve
• Mire jó? Érintett tudományterületek
• Szélessávú polarizáció modulációs spektrométer
• Saját kutatások
Kutatási területeink
Magneto-optikai
anyagok
Multiferro
anyagok
Biológiai
rendszerek
Faraday effektus -θ +θ
-B
+B
Optikai izolátorok,
MO-i hullámvezetők, …
Fundamentálisan új
információtárolás, …
Funkció ~ struktúra,
Diagnosztika, …
- Fémes mágnesesek,
- Komplex mágnesek,
- Mágneses félvezetők
- Korrelált mágnesek
- Fehérjék
- Malária
- Mágneses jelzők
Szélessávú optikai és magneto-optikai spektroszkópia
Optikai abszorpció
Mágneses cirkuláris
dikroizmus/kettőstörés
CuCr2Se4 :
Tökéletes félfém?
Spin polarizált elektronszerkezet
ε (eV)
S. Bordács et al.,
New Journal of Physics
12, 053039 (2010)
Szélessávú optikai és magneto-optikai spektroszkópia
Rekord MCD effektus!!!
Energiaskálák
CoCr2O4 :
Magneto-optikai
félvezető?
Kristálytér: ΔE=0.85eV
Coulomb kh.: U=1.1eV
Spin-pálya kh.: ζ=0.24eV
S. Bordács et al.,
to be published
Mágneses finomszerkezet
10/12 ζ
Mágneses térképezés mikrométeres felbontással
Hangolt összetételű epitaxiális film
SrRuO3 FM → CaRuO3 PM
L. Demkó et al., submitted to Nature Physics
Malária diagnosztika magneto-optikai úton
Malária pigment
Plasmodium Falciparum
100nm
Mágnesesen indukált
lineáris dikroizmus
Malária diagnosztika magneto-optikai úton
Optikai anizotrópia: ~10
Lineáris dikroizmus
Mágneses anizotrópia: ~2
100nm
Mindez olcsón !!!
Detektálási küszöb ~10ng/ml,
azaz ppm-es érzékenység!
Á. Butykai et al., to be published
~ $5000
Főbb együttműködő partnerek
Magneto-optikai
anyagok
Multiferro
anyagok
Biológiai
rendszerek
Prof. Y. Tokura,
Tokyo University
Prof. Y. Tokura,
Tokyo University
Prof. Vértessy Beáta,
Enzimológiai Intézet
Prof. H. Nakamura,
Kyoto University
Prof. R. Shimano
Tokyo University
Prof. Zelles Tivadar,
SE, Orálbiológiai Tsz.
Dr. K. Ohgushi
Kyoto University
Dr. T. Rőőm
National Institute of
ChemPhys & Biophys
Tallinn
Dr. Bóta Attila
KKKI
Prof. C.A. Kuntscher,
University of Augsburg
Köszönöm a figyelmet!