铜氧超导材料电荷密度波和元激发的共振非弹性X射线散射研究

铜氧超导材料问世以来,其高温超导的理论机制仍有待解决.近年来,铜氧超导领域的实验进展主要集中在利用新型表征手段探索微观机理,其中同步辐射的建设推进了先进谱学技术的发展.基于同步辐射的共振非弹性X射线散射技术,因具有体测量、能量动量分辨及直接探测不同元激发色散关系的能力,在铜氧超导材料研究中得到了广泛应用.无论是B ardeen-Cooper-Schrieffer理论框架下粘合库珀对的声子,还是强关联体系中Hubbard模型预测的磁涨落和竞争序,都可以用共振非弹性X射线散射实验测量,并研究它们之间的关联.本文介绍了利用共振非弹性X射线散射测量铜氧超导材料电荷密度波及相关低能激发,包括声子异常现象的研究进展,还介绍了磁激发和超导最高转变温度的关系,最后对未来的研究方向和面临的挑战进行展望.

共振非弹性X射线散射在量子材料领域的应用

共振非弹性X射线散射(resonant inelastic X-ray scattering,RIXS)是一种先进的基于同步辐射和自由电子激光光源的光进光出的谱学探测手段.在过去的十几年,RIXS的能量分辨不断被提高,其对凝聚态物质的研究也从最初的晶体场分裂和电荷转移激发,发展到产生于包括电荷、自旋、轨道、晶格4个量子自由度的集体激发行为及相关的序参量.本文总结了近几年高分辨软X射线RIXS在量子材料领域,如铜基和镍基高温超导材料等离子激发及磁激发的研究,量子材料中的集体轨道激发、激子激发和高阶磁激发,以及对磁性金属和拓扑磁性材料中磁激发的探测.

静态高压下氢的金属化研究与非弹性X射线散射技术

高压下氢的研究一直是高压物理实验和理论研究的热点,这源于人们对压致金属态—金属氢的追求。氢的压致金属化归根结底是氢的电子结构变化。在压力作用下,氢的电子结构会从低压下的宽禁带绝缘体转变为高压下的窄带隙半导体,最终成为超高压下带隙闭合的金属态。然而,多年来,由于实验条件所限,一直无法对氢的宽禁带带隙和电子结构进行直接实验观测。本文将介绍氢金属化实验技术方面存在的挑战和经历的发展,以及利用新近发展的基于同步辐射非弹性X射线散射技术首次对宽禁带固态氢带隙的研究和相关技术突破,并探讨其可能的发展趋势和方向。

铁基超导体磁激发的共振非弹性X射线散射研究

在铁基超导材料中,超导电性通常起源于对反铁磁母体的载流子掺杂.随着掺杂量的增加,反铁磁长程序逐渐被抑制,超导出现并在反铁磁序消失的边缘达到最佳Tc.在最佳和过掺杂区域,虽然已经不存在任何反铁磁长程序,但仍然存在很强的反铁磁涨落.在铜氧化物和铁基高温超导体中,很多实验证据表明自旋为1的反铁磁涨落极有可能是超导电子配对的媒介,而驱动这一配对的则是电子间的反铁磁关联.因此,从实验上研究铁基超导体的磁激发谱及其对掺杂的依赖关系,获得反铁磁关联能等信息,对理解铁基超导的微观机制至关重要.在过去十几年中,非弹性中子散射(Inelastic Neutron Scattering,INS)在测定铁基超导材料中的磁激发方面发挥了主导作用.在过去十年中,共振非弹性X射线散射(Resonant Inelastic X-ray Scattering,RIXS),作为一种可以测量过渡族金属化合物中磁激发的实验技术,被用于铁基超导体中磁激发及其演化的研究.由于RIXS具有元素敏感、价态敏感、光通量高等优点,在铁基超导材料磁激发的相关研究中,发挥了独特的作用.本文从RIXS的特点出发,回顾了铁基超导体中磁激发的RIXS研究结果,讨论了RIXS在进行这些研究时表现出的优势和不足.通过这些讨论,本文强调了在铁基超导体元激发的研究中,利用RIXS独特优势的重要性.

共振非弹性X射线散射--一种新型的X射线谱学探测方法的介绍

文章对一种新型X射线谱学探测方法——"共振非弹性X射线散射"进行了介绍,对它的方法特点和优势以及在各个领域内的最新研究进展做了简要概括.

硫化锰电子结构的软X射线共振非弹性散射研究

利用软X射线共振非弹性散射谱(resonant inelastic soft X-ray scattering,RIXS)对3d过渡金属硫化物中的硫化锰(MnS)电子结构进行了研究.通过分析Mn2+的2p63d5→2p53d6→2p63d5二次光子过程,得到了共振非弹性散射谱中的两类非弹性峰,d-d电子跃迁和电荷转移(charge-transfer)跃迁.这两部分跃迁分别共振增强于L边附近及伴随峰附近.基于Hartree-Fock方法的多重态计算分别模拟了原子近似下和立方体Oh对称群下共振非弹性散射谱及吸收谱.计算得MnS实际晶体场10Dq值介于0.80eV—0.85eV之间.对MnS和MnOCT跃迁差异的讨论表明MnS较强的CT跃迁来源于其较窄的能隙宽度.

关联电子材料中磁激发的非弹性中子和X射线散射探测

在关联电子体系中,多种形式的磁性相互作用可能会诱导产生丰富的磁性基态,包括反铁磁莫特绝缘体、反铁磁洪特金属、量子自旋液体、低维量子磁体等.为了理解这些基态产生的微观机制及相关物理,首先需要测量其中的磁激发,通过对磁激发的动力学结构因子进行理论建模和分析可以获得其中自旋-自旋相互作用的详细信息.目前,人们已经发展了多种实验技术来测量磁性体系中的自旋动力学.在这些探测手段中,非弹性中子散射(Inelastic Neutron Scattering,INS)和共振非弹性X射线散射(Resonant Inelastic X-ray Scattering,RIXS),已经被证明是在大范围动量和能量空间中测量磁激发的最有力的、互补的两种实验手段.INS测量磁激发在理论和实验方面都已经发展得相当成熟,但实验中通常需要大量的单晶样品,而RIXS是一种正在快速发展的实验技术,最大的优点之一是可以测量包括薄膜和异质结在内的很小的单晶样品.在本文中,我们主要讨论了INS和RIXS在研究几类典型强关联材料时的比较和互补性.INS和RIXS结合将使我们能够测量包含低维材料在内的几乎所有磁性关联电子材料中的磁激发,进而促进这些材料中关键科学问题的最终解决.

上海光源IXS实验控制与数据采集系统设计

实验控制和数据采集系统是实现非弹性X射线散射(IXS)实验的重要组成部分。根据实验原理和要求,完成了一种基于SPEC和EPICS的控制和数据采集系统。通过设计和编写SPEC宏定义,采用由SPEC读取EPICS过程变量的方法,将EPICS平台下的硬件控制整合到SPEC软件中,实现了电机控制、光子探测、单色器能量扫描和样品扫描等功能,并在上海光源BL15U1首次成功完成IXS实验。

同步辐射X射线光源在高压科学研究中的应用

同步辐射X射线光源已经成功地应用到高压科学研究的诸多领域.文章简要回顾了同步辐射高压技术的发展历史,简要介绍了同步辐射X射线衍射技术在高压状态方程、强关联体系、地球内部物质以及早期生命起源等研究中的应用.介绍了同步辐射X射线光谱技术(包括晶格振动声子谱的测量)在高压研究中的应用,此外,还介绍了时间分辨的同步辐射技术在冲击压缩研究中的应用,最后展望了未来先进光源应用于高压科学研究的前景.

Co掺杂ZnO薄膜的局域结构和电荷转移特性研究

采用磁束缚电感耦合等离子体溅射沉积法在不同的氧气分压下制备了Zn0.95Co0.05O和Zn0.94Co0.05Al0.01O薄膜.利用X射线吸收精细结构技术对薄膜O-K,Co-K和Co-L边进行了局域结构研究,结果表明:Co2+取代了四配位晶体场中的Zn2+而未改变ZnO的六方纤锌矿结构,高真空条件下制备的薄膜具有较多的氧空位缺陷.利用共振非弹性X射线散射研究了薄膜Co-L和O-K边电荷转移情况,结果表明:Zn0.94Co0.05Al0.01O薄膜中Co-3d与传导电子之间的电荷转移强度明显强于Zn0.95Co0.05O薄膜,在较低氧气分压下制备的Zn0.95Co0.05O薄膜的电荷转移强度强于高氧气分压下制备的薄膜.

同步辐射穆斯堡尔谱学

同步辐射穆斯堡尔谱自从1985年取得突破后,经历了20多年的长足发展,已经成为穆斯堡尔谱学的一个成熟的分支。目前同步辐射穆斯堡尔谱学由两个部分构成:基于相干核共振散射机制的时域穆斯堡尔谱学和基于非相干非弹性核共振散射机制的X射线谱学。第三代同步加速器的出现促进了时域穆斯堡尔谱学的发展,测量得到穆斯堡尔激发态寿命τ期间衰变计数率与时间的关系,观测到一些有趣的现象。同步辐射穆斯堡尔谱既能做常规透射谱学研究,测量各种超精细相互作用及fLM,δSOD等穆斯堡尔参数,也能利用非弹性核共振散射测量固体的声子谱,并且也能测出fLM和δSOD及力常数等,时域谱和非相干谱的测量精度都高于常规穆斯堡尔谱。

同步辐射核共振振动能谱学(上)：原理篇

核共振振动能谱学(简称核振能谱)是一种以同步辐射为实验基础的新型的振动能谱学方法。与红外、拉曼等传统的振动光谱学方法相比,核振能谱在理论上和实验上具有一系列突出的特点和优越性,从而在各学科,特别是在铁基化学和铁基生物化学的研究中有着广泛的应用。文章分为上下两篇,上篇介绍核振能谱的基本概念、基本理论、实验方法和实验条件等基础内容,并以简单的四氯化铁离子([FeCl4]-)为例,演示由原始核振能谱到振动态密度函数(PVDOS)的分析流程。在选材上,文章侧重先进性、代表性和实用性;在叙述上,考虑到非同步辐射专业研究者的阅读需要,文章突出实验科学和应用科学的内容,力求简单明了、通俗易懂。下篇将系统介绍该能谱学方法在化学与生物化学中的应用实例。