English Title: Phase coherence and energy relaxation of tunnelling systems in glasses. Measurement and analysis of polarisation echoes in BK7

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Abstract

Die Tieftemperatureigenschaften von Gläsern werden durch atomare Tunnelsysteme (TS) bestimmt. Deren Einfluss auf viele physikalische Größen kann durch das Standardtunnelmodell gut beschrieben werden. Betrachtet man jedoch dynamische Eigenschaften der Gläser, werden Wechselwirkungen zwischen TS und Phononen (Relaxation) und zwischen TS und benachbarten TS (spektrale Diffusion) relevant. Die Untersuchung des Zerfalls der Amplitude von Polarisationsechos mit steigender Verzögerungszeit gibt Aufschluss über Relaxations- und Dekohärenzprozesse in Gläsern. In dieser Arbeit wurden erstmals Zwei-, Dreipuls- und Rotationsechos im Borsilikatglas BK7 bis zu sehr langen Pulsabständen >10 ms gemessen. Die Daten werden mit numerischen Berechnungen verglichen, in die die spektrale Diffusion und die Relaxation eingehen. Dabei zeigt sich, dass eine Untergruppe der angeregten TS wegen einer schwachen Kopplung an Phononen kaum an Wechselwirkungsprozessen teilnimmt, so dass die Echoamplitude langsamer zerfällt als erwartet. Alle Datensätze können konsistent beschrieben werden, wenn eine Verteilung des Deformationspotentials Gamma angenommen wird, die auch sehr kleine Werte für Gamma erlaubt.

Translation of abstract (English)

The low-temperature properties of glassy materials are governed by atomic tunnelling systems (TS). Many physical quantities can be described well by applying the standard tunnelling model. However, when dynamic properties are investigated the interaction between TS and phonons (relaxation) and TS and neighbouring TS (spectral diffusion) have to be taken into account. The study of the decay of dielectric polarization echoes with increasing delay times sheds light on relaxation and decoherence processes of TS in glasses. In this thesis 2- and 3-pulse as well as rotary echo measurements in the borosilicate glass BK7 have been performed for the first time up to very long pulse separation times >10 ms and compared to numerical calculations which include the theories of spectral diffusion and relaxation. We conclude that there exists a subset of TS that only very weakly take part in relaxation and decoherence due to a small value of the deformation potential. This leads to a much slower decay of the echo amplitude than expected. Assuming a distribution of deformation potentials including very small values, all data sets could be fitted consistently with one set of parameters.