Оглавление
Введение......................................................... 4
1 Литературный обзор 11
1.1 Тензорный атомный фактор.................................... 13
1.2 Явление рентгеновского естественного кругового дихроизма
(ХИСБ)..................................................... 22
1.2.1 Явление естественного кругового дихроизма в оптике
видимого диапазона................................... 22
1.2.2 Феноменологический подход к описанию естественного рентгеновского кругового дихроизма...................... 23
1.2.3 Пространственные группы, допускающие существование ХЖЮ.................................................... 28
1.2.4 Экспериментальное наблюдение ХИСБ................... 31
1.3 Чисто резонансные рефлексы в резонансной дифракции
рентгеновского излучения................................... 32
1.3.1 «Запрещенные» чисто резонансные рефлексы............ 35
1.3.2 Чисто резонансные рефлексы, связанные с кирально-
стью положений резонансных атомов ................... 39
1.3.3 Поляризационные свойства чисто резонансных рефлексов ................................................... 41
1
1.4 Методы расчёта энергетических спектров поглощения и рассеяния рентгеновского излучения.............................
Диполь-квадрупольное резонансное рассеяние рентгеновского излучения и эффективные операторы
2.1 Феноменологическое рассмотрение диполь-квадрупольного вклада в тензорный атомный фактор...........................
Исследование кругового рентгеновского дихроизма в кристалле СяСиСІз
3.1 Кристалл СвСиСІз........................................
3.2 Численное моделирование спектров естественного кругового дихроизма в СвСиСІз.........................................
3.3 Описание эксперимента...................................
3.4 Интерпретация эксперимента..............................
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 00/..........................
4.1.2 Поляризационные свойства чисто резонансных рефлексов типа 00/........................................
4.2 Феноменологические выражения, описывающие поляризационные свойства чисто резонансных рефлексов в кристалле
СвСиСЬ ................................................
4.3 Численное моделирование энергетического спектра поглощения и азимутальной зависимости рефлексов типа
00/, I = 6п ± 2 в кристалле СьСиСЬ........................... 95
4.4 Резонансная дифракция рентгеновского излучения в монокристалле теллура................................................. 97
4.5 Феноменологические выражения, описывающие поляризационные свойства чисто резонансных рефлексов в кристалле Те 97
4.6 Численное моделирование энергетического спектра поглощения и азимутальной зависимости рефлексов типа
00/, / = Зп ± 1 в кристалле Те...............................100
4.7 Запрещенные отражения в эсколаите, обусловленные магнитным диполь-квадрупольным вкладом в резонансный структурный фактор.................................................... 107
Основные результаты и выводы......................................115
3
ВВЕДЕНИЕ
Изучение атомно-кристаллической структуры и со 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 ЕББР в Гренобле, Франция, обеспечивает яркость 1021 фотон/сек./мм2/стерад., что на 13 порядков превышает' яркость рентгеновской трубки с вращающимся анодом). Большая яркость сипхротронных источников даст 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 кругополяризованное рентгеновское излучение, которое необходимо для изучения некоторых фундаментальных свойств твердых тел, например, киральности.
На базе синхротронпого излучения развились методы: ХМСБ (рентгеновский магнитный круговой дихроизм), ХИСБ (рентгеновский естествен-
ный круговой дихроизм), ХМЬЭ (рентгеновский магнитный линейный дихроизм), ХМхВ (рентгеновский магнитокиральный дихроизм) - в геометрии пропускания, а также методы в геометрии рассеяния, том числе 11X8 (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 квадрулольныс моменты, тороидальные моменты, магнитные квадруполытые 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, анапольиого момента и др. Хотя вопросы о связи измеряемого в каком-то методе сигнала и соответствующего ему эффективною оператора достаточно освещены в научной литературе, существуют некоторые разногласия, которые требуют дальнейшего рассмотрения.
Очень важным свойством вещества является киральность (энаитиомор-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
5
г. В Гренобле впервые наблюдался естественный рентгеновский круговой дихроизм в кристалле 1Л10з - явление, связанное с гиротроиией 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 ХЖЮ представляет значительный интерес.
В геометрии рассеяния также проводились теоретические и экспериментальные исследования явлений, связанных с гиротроиией кристаллов. Было показано, что даже в центросимметричных кристаллах можно наблюдать появление «запрещенных» отражений, обусловленных локальной ки-ралыюстью положения рассеивающих атомов. Исследование «глобальной» киральности объекта с помощью резонансной дифракции синхротронного излучения впервые выполнено в 2007 г. на синхротроне 8РКШ(3-8 (Япония). В отличие от геометрии пропускания наблюдаемая киралысая азимутальная зависимость запрещенных рефлексов не связана с гиротропией кристаллов, так как в диполь-дипольном приближении, которому она соответствует, отсутствует зависимость атомною фактора от волновою вектора (пространственная дисперсия).
В настоящей работе рассматриваются явления естественного кругового рентгеновского дихроизма и резонансной рентгеновской дифракции в кристалле СэСпСЛз, обсуждается возможность определения киральности кристалла из данных эксперимента. Рассматривается возможность постановки эксперимента по наблюдению киральных «запрещенных» рефлексов в кристалле теллура. Также исследуется возможность наблюдения магни-
6
тоэлектрического вклада в тензорный атомный фактор в геометрии рассеяния, обсуждаются эффективные операторы, соответствующие наблюдаемым явлениям.
Цель работы:
Исследование явления рентгеновского кругового естественного дихроизма в кристалле СвСиСЬ.
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 СвСиСІз 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 круговою естественною дихроизма в кристалле СвСиСІз. 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-Ы в теллуре различная для правой и левой круговых поляризаций. Для кристалла СвСиСІз азимутальная зависимость рефлексов 0,0,6п+2 тривиалъ-
на, по коэффициенты отражения для волн правой и левой круговых поляризаций различны.
4. Показано, что изучение «запрещенных» рефлексов типа 0,0,Зп+1 в эсколаитс при разных ориентациях магнитных моментов атомов позволит исследовать «магнитокиральный» вклад в тензорный атомный фактор.
Наутшая 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 исполдуются) в работе станций синхротрошюю излучения, позволяющих вести работы по резонансной дифракции мсссбауэров-ского и рентгеновского излучения в кристаллах (Курчатовский источник СИ, фотонная фабрика в Цукубэ, синхротрон Е8РР\ Франция; синхротрон БРИШС-Б, Япония); при подготовке курсов лекций по сипхротроииому излучению.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Метод определения связи между вкладом в тензорный атомный фак-
8
тор и эффективным оператором на основе разложения атомного фактора по параметрам порядка;
2. Вывод о возможности определения киральности кристалла CsCuCb с помотцыо метода рентгеновского естественного кругового дихроизма.
3. Вывод о возможности изучения киральности моиокристаллического теллура с помощью исследования азимутальной зависимости «запрещенных» рефлексов типа 0,0,Зп-Ь1.
4. Заключение о возможности наблюдения «магнитокиральпого» вклада в запрещенные рефлексы типа hhh, h=2n+l при дифракции рентгеновского излучения с длиной волны, близкой к К-краю хрома, в кристалле СГ2О3.
Апробация работы:
1. Drnitrienko V.E., Ovchinnikova E.N., Kolchinskaya К.А., Orcshko A.P., Kokubun J., Ishida K.,. Mukhamedzhanov E.Kh. Résonant diffraction of X-rays as a probe for structural, electronic, and phononic properties. International conférence: 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., Снежииск, Россия).
5. VI Национальная конференция но применению рентгеновского, синхротрон ного излучений, нейтронов и электронов для исследования мате-
9
риалов «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 б тезисах докладов на международных и российских конференциях.
Структура и объем работы: диссертационная работа изложена на 111 страницах машинописного текста, включая 49 рисунков и б таблиц, и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 127 наименований. Работа выполнена на ка<1юдрс физики твердого тела физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
10
- Київ+380960830922