УДК 53

Синхротронное излучение и его роль в физике конденсированного состояния

Ляо Юймяо – студент Тяньцзиньского технологического университета (г. Тяньцзинь, Китай)

Аннотация: Синхротронное излучение – это электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, когда они движутся в магнитном поле. Это излучение происходит, когда заряженные частицы, такие как электроны, движутся по криволинейной траектории, излучая энергию в виде электромагнитных волн.  Синхротронное излучение играет важную роль в исследованиях в области физики конденсированного состояния. В статье представлены основные аспекты синхотронного излучения и его применения в физике конденсированного состояния.

Ключевые слова: синхотронное излучение, физика конденсированного сосотояния, рентгеновская абсорбционная спектроскопия тонкой структуры, пресс большого объема.

Синхротроны генерируют интенсивное излучение в инфракрасном и рентгеновском диапазонах. Уникальные свойства этого излучения (высокая яркость, поляризация, непрерывный энергетический спектр, временная структура) позволяют использовать широкий спектр аналитических методов. Применение этих методов может предоставить важную информацию о природе минералов и других материалов Земли, включая кристаллическую структуру, химический состав, химическое видообразование, структуру поверхности и границ раздела, электронную структуру и пористость [1]. Одним из основных преимуществ использования синхротронного излучения для исследования земных материалов является то, что проникающая способность излучения позволяет проводить исследования в условиях, близких к естественным, например, в присутствии воды. Синхротронные эксперименты проводятся на “лучевой линии”, состоящей из оптического оборудования для настройки рентгеновского пучка и экранированной экспериментальной комнаты, содержащей манипулятор с образцами и детекторы рентгеновского излучения.

Земные материалы часто неоднородны, и исследования рентгеновских микропучков ценны для понимания этой сложности. Пространственное разрешение до 100 нм достижимо с использованием зонных пластин, зеркал и преломляющей оптики. Большинство методов, основанных на рентгеновском излучении, могут быть применены с высоким пространственным разрешением, включая рентгенофлуоресценцию (XRF), тонкую структуру поглощения рентгеновских лучей (XAFS), дифракцию рентгеновских лучей (XRD) и компьютерную микротомографию (CMT). Применяя эти методы практически одновременно, можно создавать карты элементов с чувствительностью менее одной части на миллион и определять видообразование и минералогию в выбранных местах материала. Примером может служить исследование загрязненных Ni и Zn почв из региона Морван во Франции, результатом которого стала количествення оценка форм этих двух элементов [2]. Токсичные и радиоактивные элементы также поддаются такому подходу. В эксперименте по сорбции плутония на туфе горы Юкка (штат Невада, США) было обнаружено, что Pu тесно связан с богатыми марганцем смектитовыми фазами и практически отсутствует в зернах цеолита и оксида железа, которые преобладают в породе [3].

Рентгеновская абсорбционная спектроскопия тонкой структуры (XAFS) предоставляет подробную информацию о средних электронных и молекулярных уровнях энергии, связанных с конкретным элементом. Эта информация позволяет определить степень окисления, координационное число, идентичность ближайших соседей и длины связей. Такие данные имеют решающее значение, например, для понимания структуры сложных минералов, геохимических свойств земных материалов и механизмов переноса рудообразующих металлов. Измерения видообразования могут быть получены для микроэлементов с точностью примерно до 10 частей на миллион и с пространственным разрешением или без него. Измерение XAFS состоит из сбора интенсивности поглощения (или некоторого продукта поглощения, такого как рентгеновская флуоресценция), поскольку энергия возбуждающего рентгеновского пучка сканируется с высоким энергетическим разрешением (<1 эВ) через край поглощения рентгеновского излучения интересующего элемента. Полученные спектры поглощения затем могут быть интерпретированы в терминах молекулярного окружения этого атома. Этот метод применим практически ко всем элементам периодической таблицы Менделеева, и таким образом можно анализировать образцы во всех формах (жидкие, твердые, газообразные).

XAFS чрезвычайно ценен в низкотемпературных геохимических исследованиях, например, для установления видообразования загрязняющих веществ в донных отложениях [4]. Например, Захара [5] показали, что токсичный шестивалентный хром из резервуаров для отходов Хэнфорда лишь частично восстанавливался до трехвалентного хрома в нижележащих отложениях. Также возможно определить видообразование катионов в стеклах и расплавах in situ при контролируемой летучести кислорода.

Синхротронное излучение также позволяет проводить кристаллографические эксперименты в устройствах высокого давления, таких как пресс большого объема (LVP) и ячейка с алмазной наковальней (DAC), которые также могут нагреваться до высокой температуры. Преимущество натурных наблюдений заключается в том, что можно избежать осложнений, связанных с эффектами охлаждения. Таким образом, можно смоделировать экстремальные условия глубоко под Землей и, например, определить уравнения состояния, кристаллические структуры и фазовые соотношения материалов мантии и ядра. DAC состоит из двух бриллиантов ювелирного качества с мелкими гранями, противоположно расположенными для сжатия прокладки с отверстиями (камеры для образцов). Нанограммовые количества материала (порошка или монокристалла) могут быть сжаты до ~200 ГПа и нагреты лазером до нескольких тысяч градусов (т.е. до состояния внешней сердцевины). Определение давления производится in situ с использованием флуоресценции рубина или дифракции на включенных материалах с известными параметрами решетки. Температура определяется по цвету свечения образца. Недавний всплеск исследовательской активности DAC был сосредоточен на обнаружении фазового перехода после перовскита в MgSiO3 при давлении около 125 ГПа (4); это открытие имеет отношение к улучшению нашего понимания структуры и динамики самой нижней части мантии (<300 км от ядра– граница мантии).

LVP представляет собой напольный гидравлический таран с внешним подогревом и камерой для отбора проб большего размера (мм3), чем DAC. Давление и температура (<30 ГПа, <3000 К, т.е. условия мантии) определяются нагрузкой и термопарой соответственно. Как для DAC, так и для LVP проводятся обычные эксперименты по рентгеновской дифракции, чтобы охарактеризовать образец в этих экстремальных условиях. Недавним достижением стала разработка деформационного оборудования для LVP, которое позволяет деформировать образцы в условиях высоких P-T с хорошо контролируемой скоростью деформации. Анализируя искажение колец Дебая на порошковых дифрактограммах, можно определить деформацию упругой решетки, которая связана с напряжением через упругие постоянные. Этот подход был использован для определения зависимости прочности рингвудита Mg2SiO4 от давления и деформации.

Синхротронное излучение играет важную роль в исследованиях в области физики конденсированного состояния.  Во-первых, синхротронные источники рентгеновского излучения используются для проведения рентгеновской дифракции, которая позволяет исследовать кристаллическую структуру твердых тел. Это важно для понимания атомной и молекулярной организации материалов в конденсированном состоянии. Во-вторых, синхротронное излучение также применяется для рентгеновской спектроскопии, которая позволяет изучать электронную структуру материалов. Это важно для анализа электронных свойств и переходов в конденсированных материалах. В-третьих, синхротронное излучение используется для исследования магнитных свойств материалов в конденсированном состоянии. Техники, такие как магнитная дифракция, позволяют изучать магнитные структуры и переходы. В-четвертых, синхротронные методы применяются для изучения наноматериалов, таких как наночастицы и наноструктуры. Это включает в себя анализ их формы, размера и структуры. В-пятых, это спектроскопия мягких рентгеновских лучей. Этот вид спектроскопии с использованием синхротронного излучения позволяет исследовать электронные состояния вещества на более низких энергиях, что важно для исследования мягких магнитных и электронных возбуждений.В-шестых, это вихревая спектроскопия. Этот метод использует синхротронное излучение для исследования вихревых свойств сверхпроводников и других материалов. Также для изучения электронной структуры и поверхностных свойств материалов используется фотоэмиссионная спектроскопия.

Синхротронное излучение предоставляет мощные инструменты для исследования материалов в физике конденсированного состояния, что позволяет получать детальную информацию о их структуре, электронных и магнитных свойствах.

Список литературы

1. Fenter P., Rivers M., Sturchio N., Sutton S, Applications of synchro-tron radiation in low-temperature geochemistry and environmental science // Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 2006, 49.
2. Manceau A., Tamura N., Celestre R.S., MacDowell A.A., Sposito G., Padmore H.A. Molecular-scale speciation of Zn and Ni in soil ferromanganese nodules from loess soils of the Mississippi Basin // Environmental Science & Technology. 2003, 37: 75-80.
3. Duff M.C., Hunter D.B., Triay I.R., Bertsch P.M., Reed D.T., Sutton S.R., Shea-McCarthy G., Kitten J., Eng P., Chipera S.J., Vaniman D.T. Mineral associations and average oxidation states of sorbed Pu on tuff // Environmental Science & Technology, 1999, 33: 2163-2169.
4. Brown G.E. Jr, Calas G., Hemley R.J. Scientific advances made possible by user facilities. // Elements. 2006, 2: 23-29.
5. Zachara J.M., Ainsworth C.C., Brown G.E. Jr, Catalano J.G., McKinley J.P., Qafoku O., Smith S.C., Szecsody J.E., Traina S.J., Warner J.A. Chromium speciation and mobility in a high level nuclear waste vadose zone plume // Geochimica et Cosmochimica Acta, 2004, 68: 13-30.