Введение к работе
Актуальность работы
В отличие от кристаллов аморфным веществам присущи разнообразные структурные перестройки, скорость которых довольно широко варьируется. Эти неравновесные процессы можно смоделировать на языке туннельных двухуровневых систем (ДУС) [1,2]. Взаимодействие примеси с ДУС приводит к такому явлению как спектральная диффузия (СД). Под СД мы понимаем зависимость параметров оптической полосы примесного центра от характерного времени эксперимента.
Возникновение спектроскопии одиночных молекул (СОМ) позволило изучать проблему СД на уровне одной молекулы. При этом используется метод лазерного возбуждения флуоресценции. В СОМ исследуются такие явления, как уширение бесфоношгой спектральной линии (БФЛ) и изменение амплитуды БФЛ единичной примеси со временем, спонтанные изменения резонансной частоты БФЛ одной молекулы (прыжки спектральной линии) [3]. СОМ дает возможность судить о тонких перестройках внутри изучаемой молекулы и в ее ближайшей окрестности, что находит уже сейчас широчайшее применение в биохимии. Этим объясняется актуальность темы диссертации.
Можно выделить два метода регистрации фотонов флуоресценции молекулы в СОМ. В однофотонном методе подсчитываются все фотоны, яспущенлые молекулой за определенное время. В двухфотонном методе їєдєтся счет фотонным парам, разделенным некоторым временным промежутком, в единицу времени, то есть измеряется так называемый )вухфотоиный коррелятор.
Для теоретического описания явлений СД, изучаемых в СОМ, в работе спользуется динамический подход, который основан на моделировании амильтониана изучаемой системы и уравнений для соответствующей
матрицы плотности [4]. В отличие от доминирующих на данный момент стохастических подходов, закладывающих модель на уровне вероятностей, динамический подход правильным образом описывает форму однородной оптической полосы [5] и поведение полного двухфотонного корррелятора со временем [6].
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование СД как уширения спектральной линии молекулы при взаимодействии последней с заряженными, дипольными и квадруполышми ДУС; влияния на полный двухфотонный коррелятор одиночной примеси взаимодействия ее с множеством ДУС системы, а также установление связи между однофотонными и двухфотонными методами регистрации флуоресценции в СОМ.
При этом в диссертации решаются следующие задачи.
-
На основе динамического подхода описать отклонения поведения ширины однородной линии со временем от логарифмического закона, рассмотрев взаимодействие одиночной дипольной примеси с заряженными, дипольными и квадрупольными ДУС.
-
Обобщить динамическую теорию полного двухфотонного коррелятора для случая взаимодействия одиночной примеси с множеством ДУС, как привнесенных в растворитель примесной молекулой, так и независимо от примеси существующих в матрице.
-
С помощью обобщенной теории полного двухфотонного коррелятора объяснить экспериментальные данные по проявлению СД в полном двухфотонном корреляторе и автокорреляционных функциях [7].
4. Установить связь между величішами, измеряемыми в двухфотонных методах регистрации (полном двухфотонном корреляторе) и однофотонных методах (спектральных и квантовых траекториях).
Научная новизна результатов
На основе единого динамического подхода разработано следующее.
-
Предложен метод вычисления полного двухфотонного коррелятора излучения хромофора, взаимодействующего с неограниченным количеством ДУС.
-
Установлено, каким образом уширение со временем спектральной линии хромофора проявляется в полном двухфотонном корреляторе.
-
Показано, что зависимость ширины спектральной линии хромофора примеси от времени определяется характером электростатического взаимодействия хромофора и ДУС растворителя.
Положения, выносимые на защиту
1. Динамическая теория полного двухфотонного коррелятора,
построенная в данной диссертации, в состоянии описать как
экспоненциальную, так и логарифмическую релаксацию молекулы,
взаимодействующей с ДУС в аморфном веществе.
2. Отклонения от логарифмической спектральной диффузии,
найденные в экспериментах по фотонному эху в области малых
времен и в экспериментах по выжиганию стабильных провалов в
области больших времен, можно описать, учитывая существование в
растворителе не только ДУС с дипольными моментами, но также
заряженных ДУС и ДУС с квадрупольньши моментами.
Практическая значимость
Спектроскопия одиночных молекул имеет уже сейчас широко прикладное значение как чувствительнейший способ исследовать в микроскопическом уровне процессы в химии и биологии. В недалекої будущем методы спектроскопии одиночных молекул могут найти сво< применение в тонкой медицинской диапюстике, а также в кибернетике ка способ очень плотной записи информации. Поэтому жизненно необходим! научиться теоретически строго и адекватно анализировать экспериментальны исследования в этой области. Динамическая теория предоставляе возможность сделать это, что и продемонстрировано в данной диссертации.
Степень достоверности результатов проведенных исследований
-
Динамический метод, использованный в диссертационной работе дд построения теории в области спектроскопии одиночных молекул, бы: апробирован ранее в спектроскопии ансамблей.
-
В частных случаях предложенная теория согласуется с результатам) других теорий.
-
Экспериментальные данные подтверждают выдвинутую теорию.
Апробация результатов
Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждалис: на отечественной и международных конференциях, включая:
XVI Всероссийскую конференцию «Фундаментальная Атомна спектроскопия», Москва, декабрь, 1998.
International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy о Condensed Matter, Japan, Osaka, August, 1999.
The 6th International Meeting on Hole Burning and Related Spectroscopies: Science and Application, France, Hourtin, September, 1999. Кроме того, результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры теоретической физики МПГУ и отдела люминесценции ФИАН.
Публикации по теме работы
По теме.диссертации имеется 7 публикаций, список которых приведен в завершение данного автореферата.
Объем и структура работы
