Кристаллография, 2020, T. 65, № 3, стр. 425-427

Преобразование однофотонных волновых пакетов в серию разделенных во времени импульсов представляет большой интерес с точки зрения квантовой информатики [1]. В оптическом диапазоне частот такое преобразование осуществляется с помощью интерферометров с несбалансированными плечами. В гамма-диапазоне частот удалось осуществить разбиение однофотонного излучения с помощью фильтрации излучения возбужденного радиоактивного ядра через резонансный поглотитель, положение которого колеблется по отношению к источнику благодаря пьезопреобразователю, возбуждаемому генератором на определенной частоте [2, 3]. Длительность импульсов составляет четверть периода колебаний поглотителя при отстройке частоты излучения от резонансной частоты поглотителя на частоту колебаний. Если эта отстройка равна удвоенной частоте колебаний, то длительность импульсов сокращается до одной восьмой периода колебаний [3]. В [2, 3] использовались полимерные пьзопреобразователи из поляризованного механической вытяжкой поливинилиденфторида (ПВДФ). Между тем из-за малого коэффициента электромеханической связи и больших механических потерь у этого материала трудно возбудить колебания с частотой выше 15 МГц. Амплитуды колебаний, которые создают эти полимеры, тоже ограничены. Поэтому с помощью таких пьезопреобразователей трудно получить импульсы гамма-излучения короче 10 нс.

В данной работе приводятся первые результаты экспериментов с новым поколением пьезопреобразователей фирмы ЭТНА. Они представляют собой кварцевые резонаторы, изготовленные на основе кристаллических элементов с обратной мезаструктурой, формируемой с применением технологии ионно-плазменного травления с целью утоньшения активного слоя до микронных толщин, позволяющих повысить частоту основного резонанса до 450 МГц. Такие резонаторы характеризуются высокой добротностью и низкими значениями динамического сопротивления, которые обеспечиваются за счет высокого качества обработки активной поверхности. Были использованы два типа конструкции резонатора-поглотителя.

В сборке 1 на поверхность кварцевой пластины приклеивался небольшой кусочек фольги нержавеющей стали с природным содержанием изотопа ⁵⁷Fe (2.12%). Мессбауэровсий спектр пропускания фольги для 14.4 кэВ излучения источника, содержащего радиоактивные ядра ⁵⁷Co, состоит из одиночной линии. В результате механических колебаний фольги вдоль распространения излучения у основной линии появляются сателлиты, которые отстоят от нее на частотах ±f, ±2f, ±3f и т.д., где f – частота механических колебаний [3]. В упрощенном виде зависимость числа фотонов, зарегистрированных детектором, от величины доплеровского сдвига излучения источника описывается выражением

где N₀ – число фотонов, зарегистрированных вдали от резонанса, Γ_S и Γ_A – ширины линий излучения источника и поглощения образца соответственно, Δ = ω_A – ω_S, ω_A и ω_S – резонансная частота поглотителя и частота излучения источника, J_n(m) – функция Бесселя n-го порядка, – индекс модуляции фазы излучения, которое “видит” колеблющийся образец, a – амплитуда механических колебаний, λ – длина волны гамма-излучения. Поглощение излучения определяется эффективной толщиной образца $T = {{f}_{A}}{{n}_{A}}{{\sigma }_{0}}l$, где f_A – фактор Дебая–Валлера образца, n_A – концентрация ядер ⁵⁷Fe, σ₀ – сечение резонансного поглощения и l – физическая толщина образца. В более общем случае необходимо учитывать нерезонансное поглощение образца, излучение источника с отдачей и распределение амплитуд колебаний разных участков образца.

Спектры неподвижного образца и образца, колеблющегося с частотой 59.9 МГц, показаны на рис. 1. Можно ожидать, что с помощью сборки 1 можно создавать импульсы с длительностью порядка 4 нс, равной четверти периода механических колебаний, что следует из теории и согласуется с результатами экспериментов, приведенных в [2], на более низких частотах.

Величина сателлитов невелика по сравнению с центральной линией, но они ясно видны на рис. 1б. Их интенсивности зависят от амплитуды механических колебаний образца. В данной сборке поглотителем является фольга нержавеющей стали толщиной 25 мкм. Поскольку она в 2.5 раза толще кварцевой пластины резонатора, трудно ожидать, что при умеренных мощности и напряжении РЧ-генератора можно будет создать колебания большой амплитуды, так как нагрузка, создаваемая поглотителем, превышает возможности резонатора. Чтобы улучшить свойства сборки, было решено создать поглотитель, обогащенный изотопом ⁵⁷Fe. Для этого напылили ⁵⁷Fe на поверхность кварцевой пластины (сборка 2).

На начальном этапе в качестве исходного материала для напыления использовалась фольга нержавеющей стали (304, состав Fe : Cr : Ni: 70 : 19 : 11) фирмы Alfa Aesar. К сожалению, температурные режимы процесса напыления не позволили получить на поверхности резонатора сплав, идентичный нержавеющей стали. Вместо одиночной линии, свойственной для стали марки 304, в мессбауэровском спектре напыленного слоя проявились несколько секстетов с широким распределением сверхтонких магнитных полей. Доминирующим среди этих секстетов был секстет, свойственный металлическому железу (α-Fe). Поэтому на следующем этапе в качестве исходного материала для напыления использовалась фольга металлического железа, обогащенная до 95% изотопом ⁵⁷Fe. Мессбауэровский спектр поглотителя на сборке 2 показан на рис. 2а. Он состоит из шести линий, соответствующих зеемановскому расщеплению ядерных уровней в сверхтонком магнитном поле 330 кЭ.

Удалось возбудить колебания резонатора в сборке 2 с частотой, равной 90 МГц по пятой гармонике. Амплитуда колебаний была достаточно велика, так что появление шести сателлитов наблюдали у каждой из шести линий, т.е. в итоге мессбауэровский спектр содержал кроме шести линий исходного спектра еще три пары боковых сателлитов от каждой исходной линии (всего 42 линии) (рис. 2б). Колебания поглотителя в сборке 2 с частотой f = 90 МГц позволяют получать импульсы гамма-излучения с длительностью, равной T/4 = 2.8 нс при настройке источника в резонанс с одним из первых сателлитов, или T/8 = 1.4 нс при настройке в один из вторых сателлитов основных линий мессбауэровского спектра, где T – период механических колебаний с частотой f. Длительность таких импульсов становится сравнимой с длительностью импульсов синхротронного источника излучения.

Оценка индекса модуляции фазы излучения источника, которую «видит» колеблющийся поглотитель, дает величину m = 2.06. Из нее можно оценить амплитуду колебаний поглотителя $a = m\lambda {\text{/}}2\pi = 28.2$ пм. Таким образом, из экспериментально наблюдаемой трансформации мессбауэровского спектра под действием механических колебаний и точного определения соотношения интенсивности каждой из основных линий с интенсивностями сателлитов можно узнать амплитуду колебаний поверхности пьезопреобразователя с субангстремной точностью. Подробно метод измерения амплитуд сверхмалых смещений и исследование распределения амплитуд механических колебаний вдоль поверхности поглотителя изложены в [3]. Этот метод открывает большие перспективы для исследования механических свойств тонких пластин и качества их поверхности.

Работа выполнена при частичной поддержке Программы повышения конкурентоспособности Казанского федерального университета, Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-02-00845-а) и фонда NSF (№ PHY-150-64-67).