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Nuclear Spin dominated Relaxation of Atomic Tunneling Systems in Glasses

Luck, Annina

German Title: Kernspindominierte Relaxation atomarer Tunnelsysteme in Gläsern

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Abstract

The measurements performed in this thesis have revealed a non phononic relaxation channel for atomic tunneling systems in glasses at very low temperatures due to the presence of nuclear electric quadrupoles. Dielectric measurements on the multicomponent glasses N-KZFS11 and HY-1, containing ¹⁸¹Ta and ¹⁶⁵Ho, respectively, that both carry very large nuclear electric quadrupole moments, show a relaxation rate in the kilohertz range, that is constant for temperatures exceeding the nuclear quadrupole splitting of the relevant isotopes. The results are compared to measurements performed on the glasses Herasil and N-BK7 that both contain no large nuclear quadrupole moments. Using three different setups to measure the complex dielectric function, the measurements cover almost eight orders of magnitude in frequency from 60 Hz to 1 GHz and temperatures down to 7.5 mK. This has allowed us a detailed study of the novel effects observed within this thesis and has led to a simplified model explaining the effects of nuclear electric quadrupoles on the behavior of glasses at low temperatures. Numeric calculations based on this model are compared to the measured data.

Translation of abstract (German)

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen haben einen nicht phononischen Relaxationskanal in Gläsern bei sehr tiefen Temperaturen offenbart, der durch elektrische Kernquadrupolmomente hervorgerufen wird. Dielektrische Messungen der Multikomponentengläser N-KZFS11 und HY-1, welche die Isotope ¹⁸¹Ta beziehungsweise ¹⁶⁵Ho mit sehr großen elektrischen Kernquadrupolmomenten enthalten, zeigen eine zusätzliche Relaxationsrate im Kilohertzbereich in diesen Gläsern. Diese ist für Temperaturen oberhalb der Kernquadrupolaufspaltung der relevanten Isotope konstant. Die Ergebnisse werden mit Messungen an Herasil und N-BK7 verglichen, welche keine großen Kernquadrupolmomente enthalten. Mittels dreier Messaufbauten zur Messung der komplexen dielektrischen Funktion wurden Messungen über annähernd acht Größenordnungen in der Frequenz zwischen 60 Hz und 1 GHz bis hinunter zu Temperaturen von 7,5 mK durchgeführt. Die Messungen erlauben eine detaillierte Untersuchung der in dieser Arbeit entdeckten Effekte und haben zur Entwicklung eines neuen vereinfachten Modells der Auswirkung von Kernquadrupolmomenten auf das Tieftemperaturverhalten von Gläsern geführt. Die Daten werden mit auf diesem Modell basierenden numerischen Berechnungen verglichen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Enss, Prof. Dr. Christian
Date of thesis defense: 16 November 2016
Date Deposited: 09 Jan 2017 13:53
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Tieftemperaturphysik, Amorpher Festkörper, Kernquadrupolrelaxation, Kernquadrupolwechselwirkung, Glas, Uschi, Relaxation, Glas, Dielektrische Funktion
Uncontrolled Keywords: Standard-Tunnelmodell, Dielectric Function, Standard Tunneling Model, Nuclear Electric Quadrupole, Relaxation, Low Temperature Physics, Amorphous Solids, Glass
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