同步輻射在凝聚態(tài)物理中的應用探析

凡瑞霞　曹偉濤

摘要同步輻射是電子同步加速器中產生的電磁輻射（SynchrotronRadiation，簡稱SR）。凝聚態(tài)物理研究固體、液體、液晶和無序物質的結構及其物理性質和規(guī)律，是物理學中內容最豐富、應用最廣泛的一門分支學科。SR的出現也是首先應用到凝聚態(tài)物理范疇，凝聚態(tài)物理涉及的范圍十分廣泛，本文只介紹SR在凝聚態(tài)物理若干領域的應用。

關鍵詞同步輻射凝聚態(tài)物理范疇

1凝聚態(tài)物理的基本理論

同步輻射是粒子加速器中從幾百MeV到10GeV以上的高能帶電粒子（通常為電子）發(fā)射的電磁輻射。在同步源所提供的強輻射的波長范圍內，還沒有適用的激光源或者可調諧的激光源。由于同步輻射具有很多我們所要的性能，比如高度大，可調范圍寬、準直性強、線性極化好、穩(wěn)定性高，另外這種輻射常常以0.1-1ns脈沖的形式出現，在過去的10年中，粒子物理學的這一廢棄的副產品已經越來越多地應用到低能物理學的廣闊領域之中，凝聚態(tài)物理學中，業(yè)已采用同步輻射從實驗上確定Cu或Ni之類元素或GaAs的CdS之類半導體材料中電子的能量—動量關系E（k）；通過實驗確定交換分裂同溫度的依賴關系，證明用純能帶模型去解釋Nir的鐵磁性是不恰當的。縱觀凝聚態(tài)物理學的基本理論，如固體能帶理論、點陣動力學理論、對稱破缺的相變理論、缺陷理論等，都非常有效。它們解釋和指導了材料的生產，如：說明了銅、鋁等金屬的導電性；鍺、硅及砷化鎵等材料的半導體性質；鐵、鈷、鎳及一些稀土金屬的鐵磁性；錫、鈮等金屬與合金的超導電性；鈦酸鋇、鈮酸鋰、磷酸二氘鉀等晶體的鐵電性。

2SR在凝聚態(tài)物理中的應用

2.1同步輻射的內涵

同步輻射是一種用途廣泛的強光源。在電子同步加速器中，同步輻射強度與電子能量的四次方成正比，并與加速器半徑的平方成反比。就可以借著同步光源連續(xù)拍下間隔百分之一秒的圖像。（1）繞射同步輻射是很強而且極狹窄的光束，這兩點特性，可用于蛋白質晶體的繞射研究，以了解蛋白質的結構。蛋白質不容易生成晶體，故樣品本身的生成不是一個純技術的問題。一般來說，生成的蛋白質晶體都很小，用同步輻射從事其繞射結構的研究已顯示比傳統(tǒng)的高強度x光繞射結果清晰得多。另外，同步輻射具有連續(xù)而光度強的特性，已開始被用于能量散布繞射的實驗，照射時間短，因而可研究晶體粉末受壓、加溫時的相變化。（2）漫散射X光漫散射指的是高序的布喇格繞射，強度很弱，但是它對晶體結構或非晶體結構都能提供重要的資料，所以在以傳統(tǒng)的強x光為光源的實驗中，已有不少應用。同步輻射具有強的連續(xù)光譜及狹窄的光束，在這方面的研究應有很好的前途。

2.2應用領域

凝聚態(tài)物理研究固體、液體、液晶和無序物質的結構及其物理性質和規(guī)律，是物理學中內容最豐富、應用最廣泛的一門分支學科.SR的出現也是首先應用到凝聚態(tài)物理范疇，凝聚態(tài)物理涉及的范圍十分廣泛，本文只介紹SR在凝聚態(tài)物理若干領域的應用。

同步輻射加速器可以說是應用范圍最廣泛的加速器。人類利用加速器的歷史已經有很長一段時間了，從湯姆生（J．J．Thomson）發(fā)明陰極射線管而發(fā)現了電子以來，已經有一百多年的歷史。在這期間加速器也越做越大，而且跟核物理和粒子物理的躍進息息相關，粒子加速器可以說是推動這兩門學科前進的助推器。歷經一個世紀的衍生與改良，今天的粒子加速器幾乎在物理的各個分支（從基本粒子到固態(tài)物理）都可以找到廣泛的應用實例，即使在其他學科中（例如研究物質的化學結構、生物分子的排列，甚至進行微量元素的追蹤分析）都少不了各式各樣的加速器。不過，加速器的應用范圍在同步輻射加速器發(fā)明以后，又大為擴充到前所未有的領域。

同步輻射不同于其他的光源，其方向性很強，并且其是一個天然的“窄束光”，能夠沿著電子軌道的切弦進行發(fā)射，并以切線方向作為其軸線，在該面積較窄的椎體中集中。從時間分布上來看，同步輻射形式為脈沖式，其中，每一個光脈沖能夠維持0.2ns左右的時間。決定脈沖周期的因素主要是電子團速間距其最短為2ns，最長為780ns，在跟光源有很遠距離的樣品中，其能夠接受很高的光強度，且光斑的面積很小，在這種情況下，有利于光刻、光的顏射，也能夠在高壓的情況下進行工作。因此，脈沖光源其重復性很好，且其同步輻射，為瞬態(tài)過程研究提供一定條件。對于一些需要時間分辨的試驗，例如在對熒光物質發(fā)光壽命進行測量時，可以充分利用該條件。

3應用實例——在高壓研究中同步輻射的應用

物理性質的基礎建立在物質結構上，而物質結構研究可以采用X射線衍射作為一種有效的研究方法。在高壓時的X射線衍射不同于普通衍射，其主要區(qū)別主要有以下幾個方面：首先，在高壓情況下，樣品的體積比較小，且射線會經過高壓腔體而被吸收，同時，因為壓力腔材料的強度會對其產生限制，為了保持其壓力，應降低高壓腔體中所具有的樣品的體積。采用普通的X射線，其試驗時間及分辨率不能滿足要求，壓力比較低的情況下，采用普通的光源也不能進行任何動態(tài)反應研究，因此，當壓力大大升高時，就更不可能實現了。采用這種光源，為高壓研究提供了理想的光源。

同步輻射具有亮度高、發(fā)散度低等優(yōu)點，其能夠產生很大的能量，從很久以前，人們就對同步輻射進行了研究，并采用其來進行高壓試驗，在高壓情況下，結構研究緊密聯系同步輻射。研究壓力范圍也不斷拓展，目前，其壓力已經達到了很高，從而為高壓中物質結構動態(tài)變化過程提供研究的可能性。并且在高壓結構下，采用同步輻射光源，具有更精確的測量效果。高壓研究的發(fā)展是依賴于實驗手段的開發(fā)和壓力范圍的擴大而不斷深入的。

一個第三代同步輻射光源不僅可用于高壓下多晶的衍射、拓寬研究壓力范圍，而且可用于高壓高溫動態(tài)過程的研究、高壓下單晶衍射、X光吸收邊（EXAFS和XANES）、X光熒光等實驗方法的研究。

目前，世界上主要的同步輻射光源上都開展了高壓研究工作。西歐國家聯合在法國建造的ESPF第三代光源和日本的第三人光源Spring-8的科學規(guī)劃中，高壓研究也都占有重要的地位。在同步輻射上進行的高壓研究內容，包括了凝聚態(tài)物理、天體物理、材料科學、化學等學科的許多前沿課題。因此，同步輻射為國際上高壓研究的發(fā)展起到了關鍵的作用。

在最近數年，關于高壓下物質的相變研究中，用同步輻射光源解釋了很多以前無法解釋的同質異構體。在對幾十到上百GPa壓力下的物質高壓行為進行研究后，使人們對物質高壓下的性質有了進一步的了解，為高壓下物質的能帶、電子結構、相變等的理論提供了依據。這些形成了同步輻射學術領域上進行高壓研究的熱點。