neue wege in der teilchendetektion

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Grenoble 21.09.11 - 1 Disordered Solids real crystals glasses spin glass

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Page 1: Neue Wege in der Teilchendetektion

Grenoble 21.09.11 - 1

Disordered Solids

real crystals

glasses

spin glass

Page 2: Neue Wege in der Teilchendetektion

Tunneling of Atoms in Solids

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Page 3: Neue Wege in der Teilchendetektion

Tunneln

Grenoble 21.09.11 - 3

Page 4: Neue Wege in der Teilchendetektion

KCl:Li Specific Heat

specific heat roughly a factor of 10 higher at 0.5 K

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Page 5: Neue Wege in der Teilchendetektion

K+ Cl-

Li-Tunneling Systems in KCl-Crystals

Li+ substitutes K+

ionic radius:

8 off-center positions in ⟨111⟩ direction

(100)-plane tunnel splitting:

Li+

with

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Page 6: Neue Wege in der Teilchendetektion

Isotope effect

Schottky-Anomaly

number density

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Page 7: Neue Wege in der Teilchendetektion

Dielectric Susceptibility

number denstiy

dipole moment

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Page 8: Neue Wege in der Teilchendetektion

Thermal Conductivity of KCl:Li Isotope effect

l = 4 mm

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Page 9: Neue Wege in der Teilchendetektion

KCl:Li Specific Heat, Concentration Dependence

Grenoble 21.09.11 - 9

Page 10: Neue Wege in der Teilchendetektion

Dielectric Susceptibility, Concentration Dependence

Grenoble 21.09.11 - 10

Page 11: Neue Wege in der Teilchendetektion

Interacting Tunneling Systems

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Page 12: Neue Wege in der Teilchendetektion

Transition to Incoherent Tunneling

defects in crystals: at high concentrations cross over to incoherent tunneling consequences: reduced resonant contribution new phononless relaxation channel incoherent tunneling in glasses at very low temperatures?

Grenoble 21.09.11 - 12

Page 13: Neue Wege in der Teilchendetektion

Atomic Tunneling Systems in Glasses

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Page 14: Neue Wege in der Teilchendetektion

Atomic Tunneling Systems in Glasses

Grenoble 21.09.11 - 14

Page 15: Neue Wege in der Teilchendetektion

Specific Heat

broad distribution of low-energy excitations

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Page 16: Neue Wege in der Teilchendetektion

Thermal Conductivity

strong coupling to phonons

systems are localized

Grenoble 21.09.11 - 16

Page 17: Neue Wege in der Teilchendetektion

Universality

Grenoble 21.09.11 - 17

Page 18: Neue Wege in der Teilchendetektion

Atomic Tunneling Systems in Glasses

energy splitting

distribution function

tunnel splitting

elastic, dielectric und thermal properities

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Page 19: Neue Wege in der Teilchendetektion

Thermal Properties in the Tunneling Modell

Spezifische Wärme:

Wärmeleitung:

Grenoble 21.09.11 - 19

Page 20: Neue Wege in der Teilchendetektion

Elastic and Dielectric Properties

resonant processes

relaxational processes

modulation of ∆

T < 1 K one-phonon relaxation wide distribution even for fixed E

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Page 21: Neue Wege in der Teilchendetektion

Heat Release

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Page 22: Neue Wege in der Teilchendetektion

Sound Velocity and Internal Friction

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Page 23: Neue Wege in der Teilchendetektion

2 cm

torsion bending torsion

M. Heitz 2000

1 µm silver film

SEM picture

good thermalization

laser-cut glass neck

Elastic Measurements with Mechanical Oscillators

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Page 24: Neue Wege in der Teilchendetektion

Sound Velocity

discrepancy at low temperatures

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Page 25: Neue Wege in der Teilchendetektion

Internal Friction

T < 30 mK

additional relaxation channel

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Page 26: Neue Wege in der Teilchendetektion

Grenoble 19.09.07 - 26

Dielectric Constant

inversion symmetry of glasses

no linear terms !

Naughton et al. (4.2 K, 16 T)

Wiegers et al. (2 mK, 9 T)

E polar vector, B axial vector

– Magnetic Field Independent?

Page 27: Neue Wege in der Teilchendetektion

Dielectric Constant at Ultra-low Temperatures

20 µT

B = 0.1 T δε/ε ≈ 0.01

dielectric constant follows field variations extremely high sensitivity to magnetic fields

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Page 28: Neue Wege in der Teilchendetektion

Temperature Dependence

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Page 29: Neue Wege in der Teilchendetektion

Coherent Properties

two-pulse polarization echoes:

microwave cavity

1 GHz

coherent regime

Rabi frequency 1 GHz 50 mK

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Page 30: Neue Wege in der Teilchendetektion

Echo ―Theoretical Background I

coherent regime:

two level approximation:

applied field:

Schrödinger equation:

ansatz:

Rabi frequency:

mit

Grenoble 21.09.11 - 30

Page 31: Neue Wege in der Teilchendetektion

Echo ―Theoretical Background II

Bloch equations:

τ1: energy relaxation

τ2: phase coherence time τ1 processes spectral diffusion spin diffusion

T < 1 K one phonon prozess

..... ?

..... ?

polarisation vector:

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Page 32: Neue Wege in der Teilchendetektion

Two Pulse Echo I

polarization vector

rotating frame

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Page 33: Neue Wege in der Teilchendetektion

Spectral Diffusion

short time limit (no flip limit):

Gaussian decay

long time limit (multiple flip limit):

exponential decay

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Page 34: Neue Wege in der Teilchendetektion

Temperature Dependence

short time limit (no flip limit):

long time limit (multiple flip limit):

P. Hu, S.R. Hartmann, PRB 9, 1 (1974) J.L. Black, B.I. Halperin, PRB 16, 2879 (1976) P. Hu, L.R. Walker, PRB 18, 1300 (1978) R. Maynard, R. Rammal, R. Suchail, J. Phys. Paris Lett. 41, L-291 (1980) B.D. Laikhtman, PRB 31, 400 (1985) Yu.M. Galperin, V.L. Gurevich, D.A. Parshin, PRB 37, 10339 (1988)

Theoretical papers:

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Page 35: Neue Wege in der Teilchendetektion

Echo Amplitude: Magnetic Field Dependence

Tunneling systems couple to magnetic fields

What is different in case of a-SiO2?

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Page 36: Neue Wege in der Teilchendetektion

Nuclear Quadrupole Moment is Important

nuclear quadrupole moment of tunneling particle sees the electric field gradient in the two wells splitting of tunneling levels multi-level systems

magnetic field causes an additional Zeeman splitting of nuclear levels

Grenoble 21.09.11 - 36

Page 37: Neue Wege in der Teilchendetektion

hydrogen

Glycerol

proof of the quadrupole model

deuterium atom

D C C C D

D D D

OD OD OD H C C C H

H H H

OH OH OH

Isotope Effect H D

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Page 38: Neue Wege in der Teilchendetektion

Evidence for a Dipole Gap in Glasses

modification of density of states: dipole gap slow sweep experiment

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Page 39: Neue Wege in der Teilchendetektion

Memory Effect

dielectric constant remembers previous dc-field

slow sweep after applying 5 MV/m for 2 h

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