[論文レビュー] Magnetic circular polarization of luminescence in Bismuth-doped silica glass

Oleksii Laguta, Hicham El Hamzaoui+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2015

Glass properties and applications参考文献 22被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、ヒスイドープ酸化ケイ酸ガラスにおける発光の磁気円偏光（MCPL）を調査し、近赤外（NIR）発光中心の性質を特定することを目的としている。可変温度および可変磁場MCPL測定を用いて、1440 nmのレーザー準位発光が、偶数電子系における分離された非Kramers二重項由来であることを示し、1.48 Kおよび6 Tで最大MCPL度が0.28に達することを明らかにした。これにより、孤立したBi⁺または奇数電子系二量体が発光中心である可能性は排除された。

ABSTRACT

The magnetic field induced circular polarization of near infrared photoluminescence in Bi-doped pure silica glass was studied in the spectral range of 660 - 1600 nm covering three excited state levels. The highest degree of magnetic circular polarization of luminescence was observed in the lasing, first excited state (peak emission at 1440 nm). The results of variable temperature and variable magnetic field measurements allows to conclude that the near infrared luminescence originates from an isolated non-Kramers doublet of the even-electron system.

研究の動機と目的

• ビスマスドープ光ファイバー・レーザー（BFL）およびアンプライファ（BFA）の進歩にもかかわらず、依然として議論の余地があるBiドープ酸化ケイ酸ガラスにおける近赤外光励起発光の性質を明確化すること。
• パラ磁性中心の検出に限界を示す電子スピン共鳴（ESR）の代替として、より感度の高いパラ磁性系のプローブである磁気円偏光発光（MCPL）を用いることで、ESRの限界を克服すること。
• MCPLの温度および磁場依存性に基づき、発光中心が非Kramers二重項かKramers二重項かを特定すること。
• 実験的MCPLデータとの整合性を検証することで、孤立したBi⁺、Bi₂⁻、Bi₂²⁻、またはBi²⁺-V_O複合体といった既存のモデルがNIR発光の原因である可能性を除外すること。

提案手法

• 冷凍器（1.48–300 K）および最大7 Tの磁場を用いたファラデーゲオメトリでのMCPL測定を実施し、パラ磁性挙動を調査した。
• 375 nmレーザー励起源と冷却されたInP/InGaAsフォトマルチプライヤを備えた光子カウンティング系を用い、高SN比の検出を実現した。
• 1440 nm付近の3つの励起状態に注目し、660–1600 nm範囲で円偏光度ΔMCPL = (I⁺ − I⁻)/(I⁺ + I⁻)を測定した。
• 温度および磁場依存性のMCPLに、シミュレーテッド・アニーリング法を用いたグローバルフィットを適用し、MCPL理論のA、B、C項に一致するようにフィッティングした。
• g∥ = 2.14 ± 0.07およびエネルギー分裂Δ = 6.18 ± 0.24 cm⁻¹を有する非Kramers二重項として系をモデル化した。これは偶数電子系に一致する。
• Bi⁺、Bi₂⁻、Bi₂²⁻、Bi²⁺-V_Oの各モデルを比較し、それらの予測するMCPL挙動と実験データ（特に温度および磁場依存性）の整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Biドープ酸化ケイ酸ガラスにおけるNIR光励起発光を引き起こす発光中心の電子構造は何か？
• RQ2 観測された磁気円偏光発光（MCPL）は非Kramers二重項系によって説明可能か？ そしてこれは、基底状態および励起状態のスピン多重度にどのような意味を持つのか？
• RQ3 なぜBiドープ酸化ケイ酸ガラスでは電子スピン共鳴（ESR）が検出されないのか？ これはKramers二重項の欠如と相関しているか？
• RQ4 MCPLの温度および磁場依存性は、発光中心の可能性のあるモデルをどのように制限するか？
• RQ5 観測されたMCPL挙動は、孤立したBi⁺、Bi₂⁻、Bi₂²⁻、またはBi²⁺-V_O複合体がNIR発光の原因である可能性を排除できるか？

主な発見

• 最大MCPL度ΔMCPL ≈ 0.28が、1440 nm（レーザー準位に対応）で観測され、1.48 Kおよび6 Tの条件下で達成された。
• 1440 nmにおけるMCPLの温度および磁場依存性は、g∥ = 2.14 ± 0.07およびエネルギー分裂Δ = 6.18 ± 0.24 cm⁻¹を有する励起状態における非Kramers二重項によって最もよく説明される。
• 温度依存性のC項寄与が観測されないことは、基底状態がスピン多重度（三重項または五重項）であり、単一状態でないことを示し、孤立したBi⁺イオンが発光中心である可能性は排除された。
• 磁場依存性によるMCPLスペクトルシフトはA項に起因しており、基底状態が磁気多重度であることを確認した。これは、基底状態が単一状態であるモデルとは矛盾する。
• Bi₂²⁻二量体モデルは、A項が温度に依存せず、磁場に線形依存する予測を行うが、実際の非線形磁場依存性とは一致しないため、除外された。
• Bi²⁺-V_O複合体モデルは、第一励起状態にKramers二重項を仮定しているが、観測されたMCPL応答が非Kramers性を示すことに矛盾するため、不一致である。