Эффекты гиротропии и киральности в резонансном поглощении и дифракции рентгеновского излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Козловская, Ксения Александровна

• Козловская, Ксения Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Козловская, Ксения Александровна

Введение.

1 Литературный обзор

1.1 Тензорный атомный фактор.

1.2 Явление рентгеновского естественного кругового дихроизма

XNCD).

1.2.1 Явление естественного кругового дихроизма в оптике видимого диапазона.

1.2.2 Феноменологический подход к описанию естественного рентгеновского кругового дихроизма.

1.2.3 Пространственные группы, допускающие существование XNCD.

1.2.4 Экспериментальное наблюдение XNCD.

1.3 Чисто резонансные рефлексы в резонансной дифракции рентгеновского излучения.

1.3.1 «Запрещенные» чисто резонансные рефлексы.

1.3.2 Чисто резонансные рефлексы, связанные с кирально-стью положений резонансных атомов

1.3.3 Поляризационные свойства чисто резонансных рефлексов

1.4 Методы расчёта энергетических спектров поглощения и рассеяния рентгеновского излучения.

2 Диполь-квадру мольное резонансное рассеяние рентгеновского излучения и эффективные операторы

2.1 Феноменологическое рассмотрение диполь-квадрупольного вклада в тензорный атомный фактор.

3 Исследование кругового рентгеновского дихроизма в кристалле CsCuCl

3.1 Кристалл CsCuCl3.

3.2 Численное моделирование спектров естественного кругового дихроизма в СвСиСЛз.

3.3 Описание эксперимента.

3.4 Интерпретация эксперимента.

4 Изучение киральности кристаллов с помощью резонансной дифракции синхротронного излучения

4.1 Феноменологические выражения, описывающие диполь-квадрупольный вклад в чисто резонансные рефлексы

4.1.1 Компоненты тензорной структурной амплитуды чисто резонансных рефлексов типа 001.

4.1.2 Поляризационные свойства чисто резонансных рефлексов типа 001.

4.2 Феноменологические выражения, описывающие поляризационные свойства чисто резонансных рефлексов в кристалле

4.3 Численное моделирование энергетического спектра поглощения и азимутальной зависимости рефлексов типа

00/, / = бп ± 2 в кристалле СбСиСЯз.

4.4 Резонансная дифракция рентгеновского излучения в монокристалле теллура.

4.5 Феноменологические выражения, описывающие поляризационные свойства чисто резонансных рефлексов в кристалле Те

4.6 Численное моделирование энергетического спектра поглощения и азимутальной зависимости рефлексов типа

00/, / = Зп ± 1 в кристалле Те.

4.7 Запрещенные отражения в эсколаите, обусловленные магнитным диполь-квадрупольным вкладом в резонансный структурный фактор.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффекты гиротропии и киральности в резонансном поглощении и дифракции рентгеновского излучения»

Изучение атомно-кристаллической структуры и ее искажений, магнитной структуры и электронных состояний являются важнейшими задачами физики твердого тела, поскольку эти характеристики определяют основные физические свойства материалов. Дифракция рентгеновских лучей и дифракция медленных нейтронов являются традиционными методами, которые дают информацию и о кристаллической, и о магнитной структуре кристаллов. Однако в последние два десятилетия появились новые методы, основанные на изучении прохождения через образцы и дифракции рентгеновского излучения с длиной волны, близкой к краям поглощения атомов в кристалле. Практическая реализация этих методов стала возможной благодаря созданию синхротронов третьего поколения, сочетающих большую яркость и высокую степень поляризации излучения (синхротрон ESRF в Гренобле, Франция, обеспечивает яркость 1021фотон/сек./мм2/стерад., что на 13 порядков превышает яркость рентгеновской трубки с вращающимся анодом). Большая яркость сипхротронных источников дает возможность проводить измерения достаточно слабых эффектов за разумное время эксперимента, а высокая степень поляризации синхротронного излучения позволяет выполнять поляризационные измерения в рассеянном излучении, что очень важно для изучения анизотропных свойств среды. Использование ондуляторов позволило также создавать кругополяризован-ное рентгеновское излучение, которое необходимо для изучения некоторых фундаментальных свойств твердых тел, например, киральности.

На базе синхротронного излучения развились методы: XMCD (рентгеновский магнитный круговой дихроизм), XNCD (рентгеновский естественный круговой дихроизм), XMLD (рентгеновский магнитный линейный дихроизм), XM%D (рентгеновский магнитокиральный дихроизм) - в геометрии пропускания, а также методы в геометрии рассеяния, том числе RXS (рентгеновское резонансное рассеяние). С помощью этих методов были обнаружены новые типы упорядочения в кристаллах, а именно: зарядовое и орбитальное упорядочение, а также изучены более тонкие свойства, такие как электрический квадрупольные моменты, тороидальные моменты, магнитные квадрупольные моменты и др, которые не могут быть исследованы с помощью каких-либо других методов. Очень важным результатом в теории было создание так называемых правил сумм, связывающих величину измеряемого сигнала со средним значением эффективных операторов, в том числе спинового и орбитального момента, анапольпого момента и др. Хотя вопросы о связи измеряемого в каком-то методе сигнала и соответствующего ему эффективного оператора достаточно освещены в научной литературе, существуют некоторые разногласия, которые требуют дальнейшего рассмотрения.

Очень важным свойством вещества является киральность (энантиомор-физм). Обычные рентгеновские методы не чувствительны к киральности, поскольку рентгеновское рассеяние каждым атомом изотропно. Кроме того, в силу закона Фриделя рентгеновская дифракция не позволяет определить фазу структурной амплитуды, которая несет в себе информацию о киральности кристалла. Однако, если длина волны падающего синхро-тронного излучения близка к краю поглощения атома в кристалле, то резонансное рассеяние становится анизотропным, и вблизи краев проявляются все эффекты, характерные для оптики анизотропных сред. В 1998 г. В Гренобле впервые наблюдался естественный рентгеновский круговой дихроизм в кристалле 1лЮз ~ явление, связанное с гиротропией кристалла в рентгеновском диапазоне частот. Знак сигнала дихроизма различен для правой и левой модификаций кристалла, т.е. дает возможность определения его киральности. С тех пор это явление наблюдалось еще в двух объектах с симметрией. Исследование новых объектов с помощью метода XNCD представляет значительный интерес.

В геометрии рассеяния также проводились теоретические и экспериментальные исследования явлений, связанных с гиротропией кристаллов. Было показано, что даже в центросимметричных кристаллах можно наблюдать появление «запрещенных» отражений, обусловленных локальной ки-ральностью положения рассеивающих атомов. Исследование «глобальной» киральности объекта с помощью резонансной дифракции синхротронного излучения впервые выполнено в 2007 г. на синхротроне SPRING-8 (Япония). В отличие от геометрии пропускания наблюдаемая киральная азимутальная зависимость запрещенных рефлексов не связана с гиротропией кристаллов, так как в диполь-дипольном приближении, которому она соответствует, отсутствует зависимость атомного фактора от волнового вектора (пространственная дисперсия).

В настоящей работе рассматриваются явления естественного кругового рентгеновского дихроизма и резонансной рентгеновской дифракции в кристалле CSC11CI3, обсуждается возможность определения киральности кристалла из данных эксперимента. Рассматривается возможность постановки эксперимента по наблюдению киральных «запрещенных» рефлексов в кристалле теллура. Также исследуется возможность наблюдения магнитоэлектрического вклада в тензорный атомный фактор в геометрии рассеяния, обсуждаются эффективные операторы, соответствующие наблюдаемым явлениям.

Цель работы:

Исследование явления рентгеновского кругового естественного дихроизма в кристалле CsCuCb

Численное моделирование экспериментального спектра кругового естественного дихроизма. Анализ эффективных операторов, соответствующих данному явлению.

Исследование возможности определения киральности кристалла с помощью резонансной дифракции рентгеновского излучения. Выбор оптимальных условий для исследования киральных рефлексов в CSC11CI3 и теллуре.

Рассмотрение магнитоэлектрических свойств тензора атомного фактора в эсколаите и описание свойств запрещенных рефлексов.

Научная новизна.

Основные существенно новые результаты состоят в следующем:

1. Развит новый теоретический подход для установления соответствия между вкладом в тензорный атомный фактор и эффективными операторами.

2. Предсказано явление рентгеновского кругового естественного дихроизма в кристалле СвСиСЛз. Показано, что основной вклад в сигнал естественного кругового дихроизма вблизи К-края меди дают атомы хлора.

3. Установлено, что азимутальная зависимость рефлексов 0,0,Зп+1 в теллуре различная для правой и левой круговых поляризаций. Для кристалла CSC11CI3 азимутальная зависимость рефлексов 0,0,6п+2 тривиальна, но коэффициенты отражения для волн правой и левой круговых поляризаций различны.

4. Показано, что изучение «запрещенных» рефлексов типа 0,0,Зп+1 в эсколаите при разных ориентациях магнитных моментов атомов позволит исследовать «магнитокиральный» вклад в тензорный атомный фактор.

Научная и практическая значимость

Полученные в диссертации результаты дают возможность развития теоретических и экспериментальных методов электронных свойств кристаллов на основе резонансного поглощения и дифракции синхротронного излучения.

Практически могут быть использованы:

- метод исследования киральпости кристаллов с помощью рентгеновского естественного кругового дихроизма и резонансной дифракции рентгеновского излучения;

- метод изучения связи вкладов в тензорный атомный фактор с эффективными операторами;

Результаты исследований, вошедших в диссертацию, могут быть использованы (и уже используются) в работе станций синхротронного излучения, позволяющих вести работы по резонансной дифракции мессбауэров-ского и рентгеновского излучения в кристаллах (Курчатовский источник СИ, фотонная фабрика в Цукубэ, синхротрон ESRF, Франция; синхротрон SPRING-8, Япония); при подготовке курсов лекций по синхротронному излучению.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Метод определения связи между вкладом в тензорный атомный фактор и эффективным оператором на основе разложения атомного фактора по параметрам порядка;

2. Вывод о возможности определения киральности кристалла CSC11CI3 с помощью метода рентгеновского естественного кругового дихроизма.

3. Вывод о возможности изучения киральности монокристаллического теллура с помощью исследования азимутальной зависимости «запрещенных» рефлексов типа 0,0,Зп+1.

4. Заключение о возможности наблюдения «магниток ирального» вклада в запрещенные рефлексы типа hhh, h=2n+l при дифракции рентгеновского излучения с длиной волны, близкой к if-краю хрома, в кристалле СГ2О3.

Апробация работы:

1. Dmitrienko V.E., Ovchinnikova E.N., Kolchinskaya К.А., Oreshko A.P., Kokubun J., Ishida K.,. Mukhamedzhanov E.Kh. Resonant diffraction of X-rays as a probe for structural, electronic, and phononic properties. International conference: Electron Microscopy and Multiscale Modelling, Moscow, September 3-7, 2007.

2. XIII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2007» (2007 г., Москва, Россия).

3. Первая международная научная школа-семинар «Современные методы анализа дифракционных данных (топография, дифрактометрия, электронная микроскопия)» (2007 г., Великий Новгород, Россия).

4. Конференция по физике высоких плотностей энергии (ФВПЭ) - «IX Забабахинские научные чтения 2007» (2007 г., Снежинск, Россия).

5. VI Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов «РСНЭ-2007» (2007 г., Москва, Россия).

6. XII Национальная конференция по росту кристаллов «НКРК-2007» (2007 г., Москва, Россия).

Публикации: основные результаты работы опубликованы в 8 печатных работах: 2 статьях и 6 тезисах докладов на международных и российских конференциях.

Структура и объем работы: диссертационная работа изложена на 111 страницах машинописного текста, включая 49 рисунков и 6 таблиц, и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 127 наименований. Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Козловская, Ксения Александровна

Основные результаты и выводы

1. Получены аналитические выражения, связывающие диполь-квадрупольные компоненты тензорного атомного фактора с эффективными операторами. На основе этих выражений подтверждено, что в методе XM%D эффективным оператором является тороидальный момент, а в методе XNCD - тороидальный или магнитный квадрупольный моменты.

2. Проанализирована возможность наблюдения кругового естественного дихроизма в кристалле CsCuCla для разных краев поглощения меди, цезия и хлора. Проведено численное моделирование экспериментального спектра естественного рентгеновского кругового дихроизма в кристалле CSC11CI3 вблизи if-края меди. Показано, что в формировании сигнала дихроизма основное участие принимают атомы хлора, расположенные в первой координационной сфере меди.

3. Показано, что интенсивность чисто резонансного брэгговского отражения 008 в CsCuCb вблизи краев поглощения для правой и левой круговых поляризаций падающего излучения различна, что позволяет определить киральность образца.

4. Установлено, что азимутальные зависимости запрещенного отражения 001 в теллуре существенно сдвинуты по фазе в случат правой и левой поляризациям падающего рентгеновского излучения, что позволяет получить информацию о киральности кристалла.

5. Установлено, что в магнитный диполь-квадрупольный вклад в тензорный атомный фактор может проявляться в особенностях энергетиче магнитная ориентация + магнитная ориентация

- - - немагнитный кристалл

10() 150 200 250 300 Азимутальный угол, град.

Рис. 4.16: Азимутальная зависимость чисто-резонансного рефлекса 333 вблизи К-края поглощения хрома для противоположных направлений магнитных моментов хрома и для немагнитного случая. ской и азимутальной структуры запрещенных отражений в резонансной дифракции рентгеновского излучения. Показано, что такой вклад может быть обнаружен в отражениях hhh, h—2п+1 в кристалле СГ2О3.