Dlaczego fizykom fazy skondensowanej potrzebne są duże

Dlaczego fizykom fazy skondensowanej potrzebne są duże

Dlaczego fizykom fazy skondensowanej
potrzebne są duże urządzenia badawcze
Andrzej Szytuła
Instytut Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego
im. M. Smoluchowskiego
Plan seminarium:
Od promieniowania rentgenowskiego do synchrotronowego
Neutrony i miony
Charakterystyka dużych urządzeń badawczych
Porównanie wyników badań metodami makro- i mikroskopowymi.
Przejścia fazowe
Perspektywy
1895 r. – Wilhelm Konrad Röntgen – odkrycie
promieniowania X
1901 r. – nagroda Nobla (pierwsza nagroda z fizyki)
1912 r. – dyfrakcja na krysztale (W. Friedrich,
P. Knipping, M. von Laue, W.H. i W.L. Bragg)
1914 r. – Max von Laue – odkrycie dyfrakcji promieni X
na kryształach
1915 r. – Wilhelm Bragg – analiza struktury kryształów
przy użyciu promieni X
1917
r.
–
Charles
Barkla
–
odkrycie
charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego
pierwiastków
1924 r. – Karl Sieghbahn – spektroskopia promieni X
1927 r. - Artur Compton – odkrycie niesprężystego
rozpraszania promieni X
1936 r. – Peter Debye – dyfrakcja promieni X
i elektronów w gazach
1946 r. – Hermann Muller – odkrycie mutacji
wywołanych przez promienie X
1962 r. – F. Crick, J. Watson, M. Wilkins – odkrycia
związane ze strukturą kwasów nukleinowych
1982 r. – Aaron Klug – określanie struktur substancji
biologicznych
1947 r. – pierwsza obserwacja promieniowania
synchrotronowego (General Electric w Schenectady)
Promieniowanie synchrotronowe - pierwszy raz zaobserwowane
(przypadkowo)w synchrotronie General Electric w Schenectady w 1947 r.
Promieniowanie synchrotronowe – cechy
ƒ posiada widmo ciągłe - od podczerwieni do twardego promieniowania rentgenowskiego
(λ ≈ 10-11);
ƒ bardzo wysoki strumień fotonów - (1012-1014) fot/s mrad dla długości fali z przedziału
(0.1-0.1001) nm;
ƒ z ciągłego widma można wyciąć monochromatyczną wiązkę z dokładnością
∆λ/λ = 10-4 - 10-6;
ƒ promieniowanie emitowane przez elektrony jest bardzo silnie skolimowane w pionie;
ƒ w płaszczyźnie orbity obserwujemy promieniowanie spolaryzowane liniowo, stopień
polaryzacji wynosi 100%, na górnym i dolnym krańcu wiązki występuje polaryzacja
kołowa prawo- bądź lewo-skrętna;
ƒ znając energie elektronów oraz promień krzywizny ich toru możemy obliczyć widmo
promieniowania;
ƒ czas emisji wynosi 0.1 ns;
ƒ powtarzalność impulsów od 1 ns do 1µs;
ƒ czystość źródła – elektrony poruszają się w próżni;
ƒ w obszarze promieni X natężenie 106 - 107 razy większe niż promieniowanie hamowania
z lamp rentgenowskich.
Na świecie pracuje około 70-80 dużych synchrotronów. Promieniowanie synchrotronowe:
• „nanoogniskowanie” wiązek promieniowania na próbce (pole przekroju 100 mikrometrów
kwadratowych (ESRF, Hasylab)). Możliwość badania nanocząsteczek, rurki węglowe, białka
• spektroskopia absorpcyjna EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) (badanie lokalnego
porządku)
• wariant powierzchniowy (SEXAFS) w oparciu o technikę fotoemisji. Badanie rozkładu atomów na
powierzchni
• mikroskopia rentgenowska (miękkie promieniowanie X o długości fali 1-10 nm). Duża wartość
przekroju czynnego na absorpcję fotoelektryczną dla lekkich pierwiastków (C, O). Krawędź
absorpcji K dla tlenu i węgla wynosi 2.34 i 4.37 nm (~ 6 keV). „Filmowanie” w skali
makromolekularnej wydarzeń w żywych komórkach (czas ekspozycji 0.1 s)
• rentgenowska topografia dyfrakcyjna – zastosowanie w metalurgii, badanie kinetyki powolnych
procesów (przejścia fazowe, rekrystalizacja, dyfuzja defektów)
• magnetyzm – magnetyzm powierzchniowy, określenie wkładu orbitalnego do momentu
magnetycznego
• 80 % struktur białek (40 000) wyznaczono dzięki promieniowaniu synchrotronowemu. Ich
znajomość pozwala dokładniej zrozumieć podstawy procesów życiowych oraz wniknąć w
mechanizm interakcji leków z organizmem
• badanie zjawisk biologicznych w żywych organizmach włączając dynamikę
• zastosowania medyczne:
ƒ struktura, funkcja i patologia ośrodkowego układu nerwowego człowieka i zwierząt
ƒ funkcjonowanie mózgu (guzy mózgu)
ƒ badanie zmian chorobowych w biochemii komórek lub tkanek (metoda kontrastu) związane
ze stanami chorobowymi
ƒ onkologia, terapia z rentgenowskiej na fotonową (niszczy chore komórki oszczędzając
przyległe zdrowe)
ƒ zastosowanie praktyczne
ƒ litografia – cieniowa technika drukowania w produkcji mikroukładów elektronicznych.
Fotony przechodzą przez otwory w masce padają na płytkę pokrytą ochronną warstwą
światłoczułą. Chemicznie usuwamy maskę. Stosuje się promieniowanie nadfioletowe (λ~0.4
µm)
Neutrony
1932 r. – odkrycie neutronu (J. Chadwick)
1936 r. – dyfrakcja neutronów na monokrysztale
1942 r. – reaktor (E. Fermi)
1948 r. – dyfrakcja na polikryształach (E.O. Wollan, C.G. Shull)
1949 r. – określenie struktury magnetycznej MnO (C.G. Shull, E.O. Wollan)
1955 r. – fonony w Al (B.N. Brockhouse)
1994 r. – C.G. Shull, B.N. Brockhouse – Nagroda Nobla
Otrzymywanie:
ƒ reaktory atomowe fuzja n + 235U
ƒ źródło spalacyjne p + (238U, W, Pb ... )
Podział:
zimne
termiczne
gorące
E(meV)
1
25
200
T(K)
11.6
290
2320
λ(Å)
9.04
1.81
0.6
ELECTRICALLY NEUTRAL
NEUTRON DIFFRACTION
IT’S A MICROMAGNET
NEUTRON SPECTROSCOPY
THEIR WAVELENGHT NEUTRON SCATTERING
KH2PO4 (KDP)
Drug aspirine as refined
with data from neutron scattering.
O
¯ COOH
CH3 – C – O
CH3 – COO – C6H4 – COOH
τnuc ~ 10-13
tobs ~ 10-16s
e-Wj
Debye-Waller
2
sin
θ
2
2
W= − 8π 〈u k 〉
λ2
in crystal give the information
on the thermal vibration
<u12>
<u22>
<u32>
Dyfraktogramy neutronowe w funkcji temperatury (644-882°C).
Badanie reakcji γ – Fe2O3 + Ba → BaFe12O19
Temperaturowa zależność parametrów fizycznych ferromagnetyka w pobliżu
temperatury Curie
Temperaturowa zależność neutronogramów
Liczba zlicze ń
TbCuSb2
20
40
60
o
2Θ [ ] 80
I mmm
Ho3Cu4Si4
Ho3Cu4Sn4
a = 13.6384(1) Å
b = 6.52149(6) Å
c = 4.11141(4) Å
a = 14.5796(1) Å
b = 6.90736(5) Å
c = 4.41981(3) Å
40
6.5
Ho3Cu4Sn4
6.0
35
30
ρ [µΩcm]
5.5
ρ [µΩcm]
25
5.0
Ho3Cu4Si4
4.5
4.0
3.5
4
20
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24
T [K]
15
ΘD = 233(4) K
ΘD = 324(3) K
10
5
0
50
100
150
200
250
Temperature [K]
4 ΘD
 T

0
 T
∞
ρ (T ) = ( ρ 0 + ρ 0 ) + 4 RT 
 ΘD 
∫
x 5 dx
(e x − 1)(1 − e − x )
300
Ho3Cu4Si4
30
Ho3Cu4Sn4
35
0.9
0.8
0.8
0.6
25
0.5
0.6
-1
-1
χ [emu/molHo]
20
0.7
0.7
χ [emu/molHo]
25
30
0.5
0.3
15
0
10
20
30
χ [molHo/emu]
40
Temperature [K]
20
0.4
0
10
20
Temperature [K]
15
-1
-1
χ [molHo/emu]
0.4
10
10
5
θP = -2.4(1) K
m = 10.41(1) µB
0
0
100
200
Temperature [K]
300
θP = - 6.6(6) K
5
400
m = 10.03(4) µB
0
0
100
200
Temperature [K]
300
400
250
Cp [J/mol K]
200
Ho3Cu4Si4
150
ΘD = 315(3) K
γ = 9.5(3) mJ/mol K2
αD = 3.4(2) x 10-4 K-1
3nR = 274.23 J/mol K
100
50
C ph + el
9nR
=
1 − α DT
3 ΘD
 T

0
 T

θD 
x 4e x
∫ (e x − 1)2 dx + γT
0
0
50
100
150
200
Temperature [K]
250
300
300
Cel+Cph
250
Ho3Cu4Sn4
Cp [J/mol K]
200
150
C ph + el
100
9nR  T 
 
=
1 − α DT  θ D 
3
ΘD
T
0
4 x
xe
∫ (e
x
)
−1
2
dx + γT
ΘD = 230(5) K
γ = 15(2) mJ/mol K2
αD = 2.1(3) x 10-4 K-1
3nR = 274.23 J/mol K
50
0
50
100
150
200
Temperatura [K]
250
300
Ho3Cu4Si4
Counts number
2000
1500
1000
500
30
2K
5K 16K 19.5K
T
[K
25
]
20
15
.]
g
e
d
[
2Θ
40
35
Cp [J/mol K]
30
25
20
15
10
5
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
T [K]
T
[K]
1.7
4.2
µ2d [µB]
µ4e [µB]
8.4(1)
3.9(1)
6.4(1)
8.2(1)
3.3(1)
2d: θ [0] & φ [0]
k2d
0
0
4e: θ [ ] & φ [ ]
k4e
90 & 90
0;0.5;0
90 & 0
0.121;0.221;0.023
0&0
0.5;05;0.454
90 & 90
90 & 0
0;0.5;0
0.121;0.221;0.023
T [K] µ2d [µB]
7
8.1(1)
18
4.5(1)
2d: θ [0] & φ [0]
90 & 90
k2d
0;0.5;0
90 & 90
0;0.5;0
Magnetism of CoO under pressures up to 7 GPa
NaCl structure (Fm3m, a= 4.261 Å)
AF TN= 292 K TC= ( ½, ½, ½ )
1 1 1
2 2 2
1 1 1
2 2 2
3 3 3
2 2 2
111 200
5
1 1
2 2 2
5
3 1
2 2 2
220
p→ 1 – 1.5 GPa
LTµ = 3.52 or 3.80µB
∆TN= 8 K
change of crystal structure
by pressure influence
on the magnetic behaviour
N. Kernavanois,
T. Hansen, E. Ressouche ILL
Diffraction image measured at
room
temperature for asdeposited Fe58Pt42 nanoparticles
with a diameter of 40 Å and
a separation of 65 Å
SANS data with simulation (solid line) for tree
FePt nanoparticle films annealed at (a)
580oC/30 minutes, (b) 700oC/5 minutes. All
measurements were carried out at room
temperature (d-f) particle size distributions
obtained from simulation of the SANS data
using the hard sphere, polydisperse interacting
model of Griffith et al.
Spektroskopia mionowa µ+
Masa: mµ = 0.1126096 mp = 206.76835 me
Ładunek: +e, spin: ½, g: 2.002331846
Moment magnetyczny: µµ = 3.18 µN = 4.841·10-3 µB
Czas życia: τµ = 2.1914 µs
Otrzymywanie:
protony (E = 600 MeV – 1 GeV), tarcza (C, Be)
p + p → π+ + p + n
p + n → π+ + n + n
pion (czas życia 26 ns): π+ → µ+ + νµ
Principle of µSR experiment
ω µ = γ µ · Βµ
sµ
+
MyonMuonCounter
µSR Histogram
Time spectrum
2000 40006000800010000
Channel
PositronCounter
Asymmetry
e Counts/Channel
350
300
250
200
150
100
50
0
0
P(t=0)
pµ
µ+
(γµ = 135.5 MHz/T)
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
0
P(t)
Sample
e+
PositronCounter
Bext
Asymmetry spectrum
Static field
distribution
µSR
2
4
Time (ms)
6
fluctuations
(105 - 109 Hz )
µ+
Experimental setup
e+
detector
b) Analysis
0.2
e+
Pµ (t)
Asymetria
0.1
Pµ
ω=γµ . B
ωt
+
= Larmor frequency µ
AG(t)
µ+
detector
B
beam
0.0
-0.1
-0.2
sample
Start
0
asymetric decaye
Clock
Stop
Computer
RAM
Schematic µSR setup with transverse magnertic field
1
2
3
4
czas [ ms]
+
a) Screen
5
6
7
Strumień mionów (E = 50-100 MeV) oddziaływuje z kryształem
Czas termalizacji ~ 10-9
Mion oddziaływuje z materią µ+→e++νe+νµ
Mion zajmuje pozycję międzywęzłową lub w miejscu defektu struktury
Rozkład emitowanych pozytonów opisuje funkcja prawdopodobieństwa emisji pozytonów
W(θ) = 1+A0cosθ
A0 określa początkową asymetrię, θ – kąt między kierunkiem emitowanego pozytonu i spin mionu
Liczba rejestrowanych pozytonów:
−t
N + ( t ) = N e (0) exp 
τ 
e
 µ
Bada się oddziaływanie spinu mionów z otoczeniem (wyznacza się czasy
poprzecznej i podłużnej relaksacji spinowej, przesunięcie Knighta).
Informacja o lokalnym polu magnetycznym. Różne techniki: pole zerowe,
w magnetycznym polu poprzecznym podłużnym
G(t) – zależność czasowa polaryzacji mionów
G( t ) =
Pµ ( t ) ⋅ Pµ (0)
P ( 0)
2
=
S µ ( t ) ⋅ S µ ( 0)
− t
N e = b + N 0 exp  [1 + A ⋅ G( t )]
 τ µ 
S µ ( 0) 2
Średnia wartość rozkładu i czasowej ewolucji wewnętrznych pól
G(t) = ∫f(Bµ)[cos2θ+sin2θcos(γµBµt)]d3Bµ
rozkład pola magnetycznego
kąt między lokalnym polem Bµ i początkową polaryzacją Pµ(0), ω=γµBµ
NMR
Paul Scherrer Institute
Synchrotron
Proton beam
Target M
Target E
Spallation source
µSR Instruments
Interstitial sites in A2 (bcc) structure
Octaheral „O”
Tetrahedral „T”
3 „O” /M
6 „T” /M
µSR in research of Magnetism
9 Weak magnetics
9 Details of magnetic structures
9 Moment localisation and spin fluctuations
9 Heavy fermions
9 Organic magnets
9 Coexistence of magnetism and superconductivity
9 Spin glass systems
9 Pore confinmed media
9 Use of ultra slow muons for research of thin magnetic films
Muonium
Muonium as local probe in physical chemistry
Labelling of proteins by muonium