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随着电子技术和光学技术的进步,太赫兹(光频率在1012赫兹)光谱仪已经逐渐成熟并且成为了研究凝聚态物理不可或缺的工具。时域的太赫兹光谱仪已经广泛的应用于材料的表征,电荷体系的动态响应等研究方面。频域太赫兹光谱仪作为与时域光谱仪一个相得益彰的系统,在研究需要高光谱分辨率体系和物理系统的单频响应方面有着重要应用。本论文概括综述了太赫兹光源以及探测方面的研究成果,并在此基础上搭建了一套低温强磁场频域的太赫兹光谱系统,该系统可测量的温度范围为5K到300K,磁场范围为-6特斯拉到6特斯拉,光谱范围为100GHz-1200GHz,最小光谱分辨率可达到200MHz。自己开发控制软件MPMS实现整个测量系统的自动化,通过数字PID控制实现程控的定温,扫温,定场,扫场功能,并具有测量方式灵活,用户界面友好,数据实时显示等特点。
基于太赫兹光发射和探测的原理作我们改进了扫频原始数据的处理方式,发展出一套特有的处理程序,提取出原始数据中包含的幅度和相位信息;开发了定频扫场或扫温模式,利用锁相原理,通过两次相位正交的探测,得到透过样品的THz辐射的振幅和相对位相变化。在系统中加入偏振片,可以分别测量两个正交偏振方向上的THz幅度和相位变化,使系统成为了一个四通道THz频段“锁相放大器“,充分利用了光的偏振和相位特性。
在此光谱仪的基础上进行了一些初步测量:测量了不同厚度超导Nb构成的split ring resonators(SRRs)超材料在超导温度以下,透过率曲线随着温度和磁场的变化。在50nm薄的样品中发现其透过率极小随着温度和磁场的增加明显的向低频移动,而比较厚的150nm的样品则没有看到显著的频移现象。原因如下,薄膜中的频移来自于超导电子引起的动态电感的变化使得SRRs的共振峰发生变化,而由于超导电子引起的动态电感与样品厚度有关,厚度越后,动态电感越小,导致厚膜中的频移不明显。
另外我们对Ni4分子磁体的比热进行了初步研究:比热随温度的变化曲线表明在0.91K Ni4分子磁体会发生反铁磁相变;研究不同温度Ni4分子磁体的比热随磁场的曲线,发现所有曲线在0.21特斯拉附近有一个交点。利用Ising模型来模拟Ni4分子磁体,发现在低场下两者符合的很好。