X射线与物质的“共振”


  X射线特指高能量光子,是物理研究领域中被广泛应用的一类特殊“探针”。光子的本质是震荡的电磁场,当X射线光子照射到样品,样品中的电子在感受到震荡的电磁场从而也产生震荡运动。我们知道,非匀速运动的带电粒子会产生电磁波,也就是发射光子。这些发射出来的光子与样品中电子云的分布以及其量子特性是相关的。所以,通过测量所谓散射的光子,我们可以获得材料中电子的信息。比如,X射线最常见的应用--X射线衍射,它反映的是电子云的分布信息,从而周期性的电子云分布(晶体)导致布拉格峰。另一类与电子量子特性相关的散射被称为“共振”。在量子力学的描述中,电子是处于不同的能级上的。当光子能量正好是两个能级的能量差时,就会发生电子在电磁场中的共振。电子在共振条件下发射的光子携带了这两个能级上电子的轨道、自旋等等量子信息。


共振X射线磁散射


  电子是自旋1/2的带电粒子。它的电荷以及自旋的量子行为导致了物质世界丰富多彩的材料物性。我们希望知道与自旋相关的磁矩在原子尺度上是怎么排列的。在共振条件下,不同自旋方向的电子发射的光子强度和相位都不同。类比于X射线衍射,这个时候散射的光子反映了“自旋云”的信息。当自旋周期性排列好,比如形成铁磁体时,我们可以得到自旋的布拉格峰。


共振非弹性X射线散射


  除了电荷和自旋静态的排列分布之外,它们怎么运动也是物理研究的一个核心问题。比如,通过一个摆动的钟摆,我们可以知道重力作用的大小,而静止的钟摆是不能提供这一信息的。同理,通过研究电荷和自旋的运动,我们可以得到各种量子相互作用的信息。当电荷和自旋在共振的X射线光场中运动起来,产生的不同的运动模对应不同的能量和动量。通过测量入射和出射光子的能量和动量差,由能量守恒和动量守恒定律可以得到电荷和自旋的动力学信息,即所谓的“激发谱”。由于X射线光子和多种自由度,包括自旋、轨道、电荷以及晶格都耦合,所以共振非弹性X射线散射可以测量材料的多种激发,比如磁子谱,电荷激发谱,声子谱等等。

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