Резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей - Resonant inelastic X-ray scattering
Резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей ( RIXS ) - это метод рентгеновской спектроскопии , используемый для исследования электронной структуры молекул и материалов.
Неупругое рассеяние рентгеновских лучей - это быстро развивающаяся экспериментальная техника, в которой рентгеновские фотоны высокой энергии неупруго рассеивают от вещества. Это спектроскопия на входе / выходе фотона, при которой измеряется как энергия, так и изменение импульса рассеянного фотона. Энергия и импульс, потерянные фотоном, передаются собственным возбуждениям исследуемого материала, и, таким образом, RIXS предоставляет информацию об этих возбуждениях. Процесс RIXS также можно описать как процесс резонансного рентгеновского комбинационного рассеяния или резонансного рентгеновского излучения.
RIXS - это резонансный метод, поскольку энергия падающего фотона выбирается так, чтобы он совпадал и, следовательно, резонировал с одним из краев поглощения рентгеновского излучения атомами системы. Резонанс может значительно увеличить сечение неупругого рассеяния, иногда на много порядков.
Событие RIXS можно рассматривать как двухэтапный процесс. Начиная с начального состояния, поглощение падающего фотона приводит к созданию возбужденного промежуточного состояния, в котором есть дыра в ядре. Из этого состояния испускание фотона приводит к конечному состоянию. В упрощенной картине процесс поглощения дает информацию о пустых электронных состояниях, а излучение дает информацию о занятых состояниях. В эксперименте RIXS эти две части информации объединяются свернутым образом, сильно возмущенные потенциалом сердцевины дырки в промежуточном состоянии.
Исследования RIXS могут выполняться как с использованием мягкого, так и жесткого рентгеновского излучения .
Функции
По сравнению с другими методами рассеяния, RIXS имеет ряд уникальных особенностей: он охватывает большое фазовое пространство рассеяния, зависит от поляризации, зависит от элемента и орбиты , чувствителен к объему и требует только небольших объемов образца.
В RIXS измеряется как энергия, так и изменение импульса рассеянного фотона. Сравнение энергии нейтрона, электрона или фотона с длиной волны порядка соответствующего масштаба длины в твердом теле - как это дает уравнение де Бройля с учетом межатомного расстояния в решетке порядка Ангстремов - получается из релятивистской энергии –Импульсное соотношение, что рентгеновский фотон имеет больше энергии, чем нейтрон или электрон. Фазовое пространство рассеяния (диапазон энергий и импульсов, которые могут передаваться в случае рассеяния) рентгеновских лучей не имеет себе равных. В частности, высокоэнергетические рентгеновские лучи несут импульс, сравнимый с обратным шагом решетки типичных систем конденсированного состояния, так что, в отличие от экспериментов по комбинационному рассеянию света с видимым или инфракрасным светом, RIXS может исследовать полную дисперсию низкоэнергетических возбуждений в твердых телах. .
RIXS может использовать поляризацию фотона: природу возбуждений, создаваемых в материале, можно распутать с помощью поляризационного анализа падающих и рассеянных фотонов, что позволяет с помощью различных правил отбора охарактеризовать симметрию и природу возбуждений.
RIXS зависит от элемента и орбиты : химическая чувствительность возникает в результате настройки на края поглощения различных типов атомов в материале. RIXS может даже различать один и тот же химический элемент на участках с неэквивалентными химическими связями, с разной валентностью или в неэквивалентных кристаллографических положениях, при условии, что края поглощения рентгеновского излучения в этих случаях различимы. Кроме того, тип информации об электронных возбуждениях исследуемой системы может быть изменен путем настройки на разные границы рентгеновского излучения (например, K, L или M) одного и того же химического элемента, где фотон возбуждает остовные электроны в разные валентные орбитали.
RIXS является объемно- чувствительным : глубина проникновения резонансных рентгеновских фотонов зависит от материала и геометрии рассеяния, но обычно составляет порядка нескольких микрометров в режиме жесткого рентгеновского излучения (например, на K-краях переходного металла ) и порядка 0,1 микрометра в режиме мягкого рентгеновского излучения (например, L-края переходного металла ).
RIXS требует только небольших объемов образцов : взаимодействие фотона с веществом относительно велико , по сравнению, например, с силой взаимодействия нейтрона с веществом . Это делает возможным использование RIXS на образцах очень небольшого объема, тонких пленках, поверхностях и нанообъектах, а также на объемных монокристаллах или порошковых образцах.
В принципе, RIXS может исследовать очень широкий класс собственных возбуждений изучаемой системы, пока возбуждения в целом являются нейтральными по заряду. Это ограничение возникает из-за того, что в RIXS рассеянные фотоны не добавляют и не удаляют заряд изучаемой системы. Это означает, что в принципе RIXS имеет конечное сечение для исследования зависимости энергии, импульса и поляризации любого типа электронно-дырочного возбуждения: например, континуум электрон-дырка и экситоны в зонных металлах и полупроводниках, перенос заряда и кристаллическое поле. возбуждения в сильно коррелированных материалах , возбуждения решетки ( фононы ), орбитальные возбуждения и т. д. Вдобавок магнитные возбуждения также разрешены по симметрии в RIXS, потому что угловой момент, который несут фотоны, в принципе может быть передан на спиновый момент электрона . Более того, теоретически показано, что RIXS может исследовать квазичастицы Боголюбова в высокотемпературных сверхпроводниках и пролить свет на природу и симметрию электрон-электронного спаривания сверхпроводящего состояния.
разрешение
Энергетическое и импульсное разрешение RIXS не зависит от дыры в ядре, которая присутствует в промежуточном состоянии. Обычно естественная ширина линии спектрального элемента определяется временем жизни начального и конечного состояний. В рентгеновской абсорбционной и нерезонансной эмиссионной спектроскопии разрешение часто ограничивается относительно коротким сроком службы остовной дыры в конечном состоянии. Поскольку в RIXS в конечном состоянии отсутствует ядро-дыра с высокой энергией, это приводит к внутренне резким спектрам с разрешением по энергии и импульсу, определяемым аппаратурой. В то же время эксперименты RIXS сохраняют преимущества рентгеновских зондов, например, элементную специфичность.
Элементарная специфика экспериментов проистекает из настройки энергии падающего рентгеновского излучения на энергию связи основного уровня интересующего элемента. Одной из основных технических проблем в экспериментах RIXS является выбор монохроматора и анализатора энергии, которые обеспечивают при желаемой энергии желаемое разрешение. Некоторые из возможных отражений кристалла-монохроматора и отражения анализатора энергии сведены в таблицу. Полное энергетическое разрешение определяется комбинацией полосы пропускания падающего рентгеновского излучения, размера пятна луча на образце, полосы пропускания анализатора энергии (который работает с фотонами, рассеянными образцом) и геометрии детектора.
Радиационно-неупругое рассеяние рентгеновских лучей - это слабый процесс с малым поперечным сечением. Поэтому для экспериментов RIXS требуется источник рентгеновского излучения высокой яркости, и они проводятся только на источниках синхротронного излучения. В последние годы использование детекторов, чувствительных к площади, значительно сократило время счета, необходимое для сбора одного спектра при заданном энергетическом разрешении.
Прямой и косвенный RIXS
Процессы резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей подразделяются на прямые и косвенные . Это различие полезно, потому что поперечные сечения для каждого совершенно разные. Когда прямое рассеяние разрешено, оно будет доминирующим каналом рассеяния, а косвенные процессы будут вносить вклад только в более высоком порядке. Напротив, для большого класса экспериментов, для которых прямое рассеяние запрещено, RIXS полагается исключительно на каналы непрямого рассеяния.
Прямой RIXS
В прямом RIXS входящий фотон продвигает остовный электрон в состояние пустой валентной зоны. Впоследствии электрон из другого состояния распадается и уничтожает остовную дырку. Дырка в конечном состоянии может находиться либо на уровне ядра с более низкой энергией связи, чем в промежуточном состоянии, либо в заполненной валентной оболочке. Некоторые авторы называют этот метод резонансной рентгеновской эмиссионной спектроскопией ( RXES ). Различие между RIXS, резонансным рентгеновским комбинационным рассеиванием и RXES в литературе не является строгим.
Конечным результатом является конечное состояние с электронно-дырочным возбуждением, поскольку электрон был создан в состоянии пустой валентной зоны и дыркой в заполненной оболочке. Если дырка находится в заполненной валентной оболочке, электронно-дырочное возбуждение может распространяться через материал, унося импульс и энергию. Для сохранения импульса и энергии необходимо, чтобы они были равны потерям импульса и энергии рассеянного фотона.
Для возникновения прямого RIXS должны быть возможны оба фотоэлектрических перехода - начальный переход из ядра в валентное состояние и последующий для заполнения дыры в ядре. Эти переходы могут быть, например, начальным дипольным переходом 1s → 2p с последующим распадом другого электрона в полосе 2p с 2p → 1s. Это происходит на K-границе кислорода, углерода и кремния. Очень эффективная последовательность, часто используемая в 3d-переходных металлах, - это возбуждение 1s → 3d с последующим распадом 2p → 1s.
Косвенный RIXS
Косвенный RIXS немного сложнее. Здесь входящий фотон продвигает остовный электрон в странствующее состояние, намного превышающее электронный химический потенциал. Впоследствии электрон в том же состоянии снова распадается, заполняя остовную дырку. Рассеяние рентгеновских лучей происходит через потенциал сердцевины дырки, который присутствует в промежуточном состоянии. Он встряхивает электронную систему, создавая возбуждения, из-за которых рентгеновский фотон теряет энергию и импульс. Число электронов в валентной подсистеме постоянно на протяжении всего процесса.
Приложения
- Внутриклеточное образование металлов,
- Изоляторы Mott
- высокотемпературные сверхпроводники (например, купраты),
- Сверхпроводники на основе железа,
- Полупроводники (например, Cu 2 O)
- Манганиты с колоссальным магнитосопротивлением .
- Металлопротеины (например, выделяющий кислород комплекс в фотосистеме II ) водные миоглобины
- Катализ (например, s,
- Вода , водный раствор, водный раствор уксусной кислоты, водный глицин.
- Высокое давление .