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Prof. Dr. C. von Borczyskowski Aspekte der modernen Optik Vorlesung vom 20.05.2010 Spektroskopie

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Page 1: Aspekte der modernen Optik - tu-chemnitz.de · Spektroskopie • Absorption, Emission von elektromagnetischer Strahlung (Optisch, Infrarot, Raman, Magnetische Resonanz, Photoelektronen),

Prof. Dr. C. von Borczyskowski

Aspekte der modernen Optik

Vorlesung vom 20.05.2010

Spektroskopie

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Spektroskopie • Absorption, Emission von elektromagnetischer Strahlung

(Optisch, Infrarot, Raman, Magnetische Resonanz, Photoelektronen), Dieelektrische Spektroskopie, Akustische Spektroskopie

• Quantenmechanischer Ansatz: (Eigen-) Energien,Wellenfunktionen, Übergangsmomente

• Bom-Oppenheimer Näherung: Separation von Elektron-, Kembewegungen (Schwingungen)

• Heisenbergsche Unschärfe-Relation

• Kohärenz

• Kontinuums Ansatz: Dielektrische Konstante, Absorption, Brechungsindex, Reflexion, Polarisation

• &ektrale-, zeitliche Auflösung, Emefindlichkeit, Mikroskopie

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Molecular Orbitals

• Covalent bonds, lonic bonds, Hydrogen bonds

• Linear Combination of Atomic Orbitals (LCAO)

• Hybridisation

• Important Atoms: • H -1 ~ )2 • C z .. (2 /j);' 2 .>( (2 1') t:1 r:·

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• Metalls: Fe, Zn, Mg, Mn, ...

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Abb. 5·20. WellenfuI'ktlonen, die aus sp'-Hybridisierung resultieren.

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Energy Scheme: Jabonsky Diagram

• LeAO

• Hybridisation

• 2-Electron Levels.

• Pauli Principle

• HOMO - Lumo Orbitals (Highest occupied molecular orbital - lowest occupied molecular orbitals)

• Born-Oppenheimer Approximation

• Vibrations: - Bending

- Stretchin~

- Scetal modes

- Phonon modes

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Oprical properties of organic molecules and aystals

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Zeitauflösung, Empfindlichkeit

• Femtosekunden - Monate (22 Größenordnungen)·

'"• Isolation

• Stabilität

• Detektoren

• "Effekt" - Modulation

• Kodierung

• Markierung

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Spektrale Auflösung

• Hei.;enbergsche Unschärferelation

• Homogene Verbreiterung durch dynamische Prozesse

• Inhomogene Verbreiterung durch statische "Unordnung"

• Ensemble- Zeitmittelung

• Kl'häiente Verfahren, DOllPel-"Resonanz"verfahren

• S1!...ektralc Selektion Lochbrennen), Einzelm(Ilekültechniken

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Coulomb - VIechselwirkung

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Fig. 1. Excitatio spect um of free-base porphin (H-z P) .: T ·4.2 K: (a) in n-heptane (CIYstal) with broadband detection of l1uorescence; (b) in MTHF (gIau) with broadband detec­tion of l1uoresccnce; (c) in MTHF (gIau) wlth narrowband de­tectlon of nuoresoence; (d) in MTHF (gIass) wlth a photo­ • chemlcal hole burnt I to the 0-0 transition and br ,adband d.tectlc:m oe l1u( rt'S<'"mce.'0

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Single Moleeule Detection

-Principles of Optical Spectroscopy of Organic Moleeules and Nanoparticles

-Single Moleeule Detection Schemes

-Application to Moleeules

-Application to Nanoparticles

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Single Emitter

Single Emitter in a Crystal at low T

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zero phonon line

10 MHz (10-3-10-4 cm- 1)

phonon wing

frequency

1several 10 cm­

• probes nano-environment static & dynamic properties

• providies information on the members of an ensemble

• may show up new physical effects

- blinking - photobleaching in one step - bunching/anti-bunching of photons

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Geordnetes Gitter

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o 1000 2000 3000 4000 Time / 100f.ls

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Densityn1atrix 5 - Level System

• Microwave - optical Blochequation

W -0 cos W t 11 L

-0 cos W r w22

W A cos wJ xxH/h W yy

-A cos wrJ. zzL W

Brown et al.

J. C. P. 1994

Correlationfunction

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Loser detuning (MHz)

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Correlation spectroscopy on rnolecules undergoing frequency shifts

System: Pentacene in p-Terphenyl

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I 0.9

0.8 / 0.7 r

0.6 0.5

0.4

0.3

1 J

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 "C (ms)

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--

1;' c: l-'(

400

350"r 300

250

200

150 1800

1600 ~~

I• .-, 1400

1200

1000 0 200 400 600

f [5] ­

, ?....,~ ­

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---

---

1000

~800"3 =600Cl Cl

~

.-~itj200 .fl-= 0

5 55 Time (s)

1000 ~

~800'" ~600 Cl Cl ~

~ '~200

.fl 0..s 0

9000 .

3 ~

Cl Cl Cl Col '-'

~ .~

-.fl 0

1:1 0

200

Time lß

Time (s)

A

155105

B

15 20

C

400 600

I

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T=4.2 K Dye moleeules2000

0 0 5 10 15 20 25 30

Control--:::J 600 I

cu '-'

>. 300+-'

In C 0

+-' c Q)

0 5 10 -Q) () ~ T=4.2 K c Q)

600 () In Q) 300 ..... a :::J 0 u- 0 5 10 15 20 25 30

2000 I T I 1.5 K

1.1. . ~ .L~~""H"Lt", ..._ J. •• ,- J)r"~"""'''''', If'~(Glas)

i i i i i i01 I I i I i i

0 5 10 15 20 25 30 Laser detuning (GHz)

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Dynamics of t1uorescence intensity of single Inolecules

I. confocal images of single R6G moleeules (scan 1.2 x 1.2 ~lIn2)1

• temporal evolution of fluorescence intensity of single molecules

-·-r--------.-- --_._-,--- ­ 2 0 I--~-----r-'-----'-1 9 I f

,. 5

,.

\YW ~ ~-~~~ o 5 20 25 20 30 40 50

o.o~1

l __.__ .~ ..L--_-----,--_..........l..--_~__-L_~__--'-_

tJs tl s

I

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0.1 /-lm

550 600 650 700

Wavelength (nn1)

NATURE· VOl 369 . 5 MAY 1994

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-soo

400

300

~ - 200 r, ,Ir" ...... . ......

8 100 VJ ....... c=',0,

U 18thmin

50

20th min

o

okrJrjM'

Average fürfirst 17

~

min

,....;.

550 600 650 700 Wavelength (nm)

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Nitrogen Vacancy Defect (N-V centre)

- induced by electron iradiation (electron energy >300 keV)

- different charge states known

- weil studied by PL, RAMAN, ESR,ODMR

- high photostability

3E 1

?

> Q) E

" ~1A L{) C '<:tr--., ~C'J

I / /,......<0

3A --~t-~

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90000

12500

10000Cl>....... rn

~ X FWHM =0.33Jlm~ 7500 ....... c ::J o 5000ü

2500

00 1 2 3 4 5

lateral position (~m)

Gruber et al. Science 276 (1997) 2012

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I

single N-V centers fluorescence spectrum dynamics

1.21 Iin diamond......... BOO

(\:::J

~ 600 Q) P 1.1üc: 400 '\ -l1.l ~ ü eil 200 ),1 \l1.l "",..... 0 zero phonon line ~ :::J 10

l:i=

600 650 700 750 BOO~O 900 0.1 1.0 10

'T (ms)

wavelength (nm)

~ '"8 ~ lifetime ODMR spectrum

--L./=--_ ~~.100 ,I , I

0.0

1,05'-1

.....:::J

ro

l1.l ü c: 095 ~ , t1}

~ 0,90 o :::J- 0851 !,t

, 2840 2860 2880 2900 2920

monoexp.: ,th=11.6±O.7ns "

500 1000 1500mlcrowave frequency (MHz) decay / (20ps/channel)

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80000 ,-------------::;;-;:====:;:::::;::=================]1,

optical Frequency (GHz)

Many 60 l 2,! 1. I Molecules-""""" ,,50! ,I I i

. t d40 I :[ ,...-...

~ 76750 i:: I ,1\ I Jil I ,1"1111o

'-" "* 10 ~~!~,~!J lr,~/M 11~'\~1 ~~~~I~I~W~IWf\~~r~!I~~ OLl~~'-~-~.2­

"ü'j o 0.5 1 1.5 2 2.5 3C (!) +­

~ 73500 ü c (!)

Molecule1.ü Cfl

~

g 70250 LL

"'= '=" Moleeule1

L-----'--_-.ll-:----'----~-;:--~-'---T-;:I;---L-~I;----,----------;J670000 0.4 0.8 1.2 1.6

Pulse Duration (J..ls)

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• •

N ~

<I N ~

0

t Q) ;>,c ­. ­ -Cl.. x

"'0 a.> Q) IC ~

Q) Q) ;> -=::::::: "'0 -Cl.. ..c CO -=:::::::0 .....E ..ClQ) .....(J)(J) Q)

::::Jc 0 :!::: ­iQ)W c E Q) -=::::::: Q)

c 0) CO(\j 0 Q) ::::J E -=::::::: ..Cl "'0C.- 0 E>..c Q)"'O(J) c (J) cl.... . ­ c .­Q) Q)Q)...... . ­

E c~

c - 0

W ~o -0 c c 0 .0 c-o CO

E -c :;::; E CO .....Q)

/- -

/

ES:::J l.... E ..... cc o .­-c..> 0 c 0Q) ..... ._ C.­Q.. >

Cf) Q)c

(J) ::::J 0 Q) c Q) 0)

e Q)

Q) -..c