Master's Thesis

Design of Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) Spectrometer

Final Thesis 7.65 MB

Author of thesis: Ing. Martin Schneider

Acad. year: 2016/2017

Supervisor: doc. Dr. Ing. Petr Neugebauer, Ph.D.

Reviewer: RNDr. Martin Veis, Ph.D.

Abstract:

The subject of this master’s thesis is to develop a new spectrometer of Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) by modification of standard Magnetic Circular Dichroism (MCD) spectrometer. A new microwave irradiation is added and coupled to the optical path by ITO coated dichroic mirror. The microwave beam is guided through series of quasi-optical lenses. For irradiation with lower frequencies, antenna determined to be placed beneath the sample is designed. The performance of the new ODMR spectrometer is then demonstrated on various metal complexes.

Keywords:

Quasi-optics, Gaussian beam, spectroscopy, ODMR, EPR, MCD, single molecule magnet

Date of defence

21.06.2017

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (M2A-P)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Martin Schneider se svou diplomovou praci, napsanou v anglictine, zabyva navrhem spektrometru pro opticky detectovanou magnetickou resonanci (ODMR). V praci navrhuje dve moznosti mikrovlnne excitace a to pomoci plosne excitacni antenky pracujici na frekvenci nekolika malo gigahertz a pro vyssi frekvence, stovky gigahertz, navrhuje pouziti THz optiky, quasi-optiky. Sve navrhy pak dale experimentalne testuje na odpovidajich vzorcich, prevazne molekularnich nanomagnetech na Universite ve Stuttgartu. Prace obsahuje adekvatni teoreticky prehled k molekularnim magnetum a teorii propagace volne siritelneho mikrovlnneho svazku. V prakticke casti sve diplomove prace pak prezentuje dosazene vysledky obou navrzenych microvlnnych excitaci, ktere bud zhotovil (plosna antena) a nebo slozil z dostupnych komponentu (quasi-optika) na zaklade diskutovane teorie. Celkove je prace obstojna a obsahuje vsechny prvky zadani, jen bohuzel v prakticke casti diplomove prace postradam vice konkretni zavery k dosazenym vysledkum a to hlavne v casti zabyvajici se vyrobenou mikrovlnnou antenkou. Kde ku prikladu autor mohl vice rozvest a porovnat svuj teoreticky vypocet s merenim, ktere proved. V zaveru doporucuje dalsi testovani, ale nepredava dostatecne dosazene zkusenosti, ktere nepochybne svou praci na projektu ziskal, dalsim generacim. Martin Schneider behem diplomove prace pracoval samostatne a vyuzil moznosti obou universit v Brne a ve Stuttgartu, kde cilevedome vyuzival jejich infrastrukturu.

Jako vedouci jeho diplomove prace jsem s jeho praci spokojen a navrhuji jeho praci k obhajobe.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
RNDr. Martin Veis, Ph.D.

Předložená diplomová práce Bc. Martina Schneidera se zabývá návrhem, sestavením a otestováním nového experimentálního uspořádání spektrometru schopného opticky detekovat magnetickou rezonanci. Experimenty opticky detekované magnetické rezonance umožní rychlou a účinnou charakterizaci základních fyzikálních vlastností nových molekulárních magnetů a jsou proto velmi žádané v mezinárodní vědecké komunitě. Téma diplomové práce je proto velmi aktuální.
Diplomová práce je rozdělena do pěti kapitol a třech dodatků, přičemž témata jednotlivých kapitol byla zvolena s rozmyslem, čímž celá práce působí uceleným dojmem. První část práce se věnuje teorii potřebné k pochopení základních fyzikálních principů, na nichž je založena vyvíjená experimentální metoda. Po stručném úvodu a uvedení motivace práce student ve druhé kapitole stručně shrne základní teorii magnetické rezonance a její vazbu na molekulární magnety. Dále je v této kapitole uvedena základní teorie magnetického kruhového dichroismu a popsána experimentální aparatura využívaná k jeho měření.
Třetí kapitola práce se velmi podrobně zabývá teorií šíření a transformací Gaussovských svazků. Takto zavedená teorie byla využita ve čtvrté kapitole k numerickým simulacím propagace mikrovlnného záření od zdroje ke vzorku umístěném v supravodivém magnetu. Oceňuji, že se student nespokojil pouze s jedním přístupem a použil tři numerické přístupy k přesnému stanovení polohy jednotlivých optických prvků. Toto považuji za nejdůležitější přínos předložené práce. Čtvrtá kapitola dále obsahuje návrhy mikrovlnné antény a podrobný popis držáku vzorku. Zde bych studentovi vytkl přílišnou stručnost. Dle mého názoru by si návrh antény zasloužil více diskutovat. Student experimentálně otestoval pouze první návrh antény a čtenář se může jen domnívat kde se vzaly parametry návrhu druhé antény. Bylo by vhodné též detailněji popsat použitý simulační program a jeho numerický přístup (používá k výpočtu např. metodu konečných prvků?). 
Pátá kapitola se pak věnuje vlastním experimentálním výsledkům získaným na studentem navrženém a sestaveném experimentálním uspořádání. K jeho otestování bylo použito čtyřech různých sloučenin.
Ve všech případech jsou demonstrována spektra MCD a v případě MnPc i možný výsledek optické detekce magnetické rezonance. Nicméně celá kapitola je psána velmi zmatečně. Uvedeným výsledků zcela chybí vědecká diskuze. Očekával bych alespoň náznak diskuze spekter MCD a popis jejich spektrální závislosti s odkazem na elektronové přechody které jsou velmi dobře popsány v teoretické části práce. Z textu páté kapitoly mi není zcela jasné, zdali experimentální hodnoty uvedené v tabulkách jsou změřené v daném experimentálním uspořádání. Proč potom nejsou u každé ze sloučenin uvedeny grafy stejné jako graf 5.9?
Práce je psána v anglickém jazyce na dobré úrovni s poměrně malou mírou překlepů a gramatických chyb. Umístění některých grafů v textu by bylo vhodnější blíže k textu, který se na ně odkazuje.
Velmi stručná pátá kapitola bez snahy více diskutovat získané výsledky kazí jinak dobrý dojem z celé práce. I přes tuto výtku dle mého názoru student splnil všechny požadavky zadání práce a proto navrhuji její hodnocení stupněm B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. - V textu práce je zmíněno že mikrovlnný zdroj společně s celou optikou byl umístěn na separátním optickém stole. Ze zkušeností je známo, že může docházet k odlišným mechanickým pohybům obou optických stolů, což může vést k posunu svazku na vzorku. Bylo toto nějakým způsobem v návrhu uvažováno? - Některé grafy MCD (např. 5.1. a 5.6) vykazují netriviální nárůst signálu pro krátké vlnové délky. Tento nárůst bývá spojen s paramagnetickým příspěvkem optického uspořádání experimentální aparatury díky rozptylovému poli magnetu. Jsou uvedená spektra MCD korigována na tento jev? - Jaký je vliv rozpouštědla při měření roztoku chromového komplexu při nízkých teplotách? Nemůže jeho fázová změna nějak ovlivnit měření? - Ve spektrech MCD bych graficky vyznačil energii, jež byla použita pro měření ODMR.

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová