同步辐射在凝聚态物理中的应用探析

凡瑞霞　曹伟涛

摘要同步辐射是电子同步加速器中产生的电磁辐射（SynchrotronRadiation，简称SR）。凝聚态物理研究固体、液体、液晶和无序物质的结构及其物理性质和规律，是物理学中内容最丰富、应用最广泛的一门分支学科。SR的出现也是首先应用到凝聚态物理范畴，凝聚态物理涉及的范围十分广泛，本文只介绍SR在凝聚态物理若干领域的应用。

关键词同步辐射凝聚态物理范畴

1凝聚态物理的基本理论

同步辐射是粒子加速器中从几百MeV到10GeV以上的高能带电粒子（通常为电子）发射的电磁辐射。在同步源所提供的强辐射的波长范围内，还没有适用的激光源或者可调谐的激光源。由于同步辐射具有很多我们所要的性能，比如高度大，可调范围宽、准直性强、线性极化好、稳定性高，另外这种辐射常常以0.1-1ns脉冲的形式出现，在过去的10年中，粒子物理学的这一废弃的副产品已经越来越多地应用到低能物理学的广阔领域之中，凝聚态物理学中，业已采用同步辐射从实验上确定Cu或Ni之类元素或GaAs的CdS之类半导体材料中电子的能量—动量关系E（k）；通过实验确定交换分裂同温度的依赖关系，证明用纯能带模型去解释Nir的铁磁性是不恰当的。纵观凝聚态物理学的基本理论，如固体能带理论、点阵动力学理论、对称破缺的相变理论、缺陷理论等，都非常有效。它们解释和指导了材料的生产，如：说明了铜、铝等金属的导电性；锗、硅及砷化镓等材料的半导体性质；铁、钴、镍及一些稀土金属的铁磁性；锡、铌等金属与合金的超导电性；钛酸钡、铌酸锂、磷酸二氘钾等晶体的铁电性。

2SR在凝聚态物理中的应用

2.1同步辐射的内涵

同步辐射是一种用途广泛的强光源。在电子同步加速器中，同步辐射强度与电子能量的四次方成正比，并与加速器半径的平方成反比。就可以借着同步光源连续拍下间隔百分之一秒的图像。（1）绕射同步辐射是很强而且极狭窄的光束，这两点特性，可用于蛋白质晶体的绕射研究，以了解蛋白质的结构。蛋白质不容易生成晶体，故样品本身的生成不是一个纯技术的问题。一般来说，生成的蛋白质晶体都很小，用同步辐射从事其绕射结构的研究已显示比传统的高强度x光绕射结果清晰得多。另外，同步辐射具有连续而光度强的特性，已开始被用于能量散布绕射的实验，照射时间短，因而可研究晶体粉末受压、加温时的相变化。（2）漫散射X光漫散射指的是高序的布喇格绕射，强度很弱，但是它对晶体结构或非晶体结构都能提供重要的资料，所以在以传统的强x光为光源的实验中，已有不少应用。同步辐射具有强的连续光谱及狭窄的光束，在这方面的研究应有很好的前途。

2.2应用领域

凝聚态物理研究固体、液体、液晶和无序物质的结构及其物理性质和规律，是物理学中内容最丰富、应用最广泛的一门分支学科.SR的出现也是首先应用到凝聚态物理范畴，凝聚态物理涉及的范围十分广泛，本文只介绍SR在凝聚态物理若干领域的应用。

同步辐射加速器可以说是应用范围最广泛的加速器。人类利用加速器的历史已经有很长一段时间了，从汤姆生（J．J．Thomson）发明阴极射线管而发现了电子以来，已经有一百多年的历史。在这期间加速器也越做越大，而且跟核物理和粒子物理的跃进息息相关，粒子加速器可以说是推动这两门学科前进的助推器。历经一个世纪的衍生与改良，今天的粒子加速器几乎在物理的各个分支（从基本粒子到固态物理）都可以找到广泛的应用实例，即使在其他学科中（例如研究物质的化学结构、生物分子的排列，甚至进行微量元素的追踪分析）都少不了各式各样的加速器。不过，加速器的应用范围在同步辐射加速器发明以后，又大为扩充到前所未有的领域。

同步辐射不同于其他的光源，其方向性很强，并且其是一个天然的“窄束光”，能够沿着电子轨道的切弦进行发射，并以切线方向作为其轴线，在该面积较窄的椎体中集中。从时间分布上来看，同步辐射形式为脉冲式，其中，每一个光脉冲能够维持0.2ns左右的时间。决定脉冲周期的因素主要是电子团速间距其最短为2ns，最长为780ns，在跟光源有很远距离的样品中，其能够接受很高的光强度，且光斑的面积很小，在这种情况下，有利于光刻、光的颜射，也能够在高压的情况下进行工作。因此，脉冲光源其重复性很好，且其同步辐射，为瞬态过程研究提供一定条件。对于一些需要时间分辨的试验，例如在对荧光物质发光寿命进行测量时，可以充分利用该条件。

3应用实例——在高压研究中同步辐射的应用

物理性质的基础建立在物质结构上，而物质结构研究可以采用X射线衍射作为一种有效的研究方法。在高压时的X射线衍射不同于普通衍射，其主要区别主要有以下几个方面：首先，在高压情况下，样品的体积比较小，且射线会经过高压腔体而被吸收，同时，因为压力腔材料的强度会对其产生限制，为了保持其压力，应降低高压腔体中所具有的样品的体积。采用普通的X射线，其试验时间及分辨率不能满足要求，压力比较低的情况下，采用普通的光源也不能进行任何动态反应研究，因此，当压力大大升高时，就更不可能实现了。采用这种光源，为高压研究提供了理想的光源。

同步辐射具有亮度高、发散度低等优点，其能够产生很大的能量，从很久以前，人们就对同步辐射进行了研究，并采用其来进行高压试验，在高压情况下，结构研究紧密联系同步辐射。研究压力范围也不断拓展，目前，其压力已经达到了很高，从而为高压中物质结构动态变化过程提供研究的可能性。并且在高压结构下，采用同步辐射光源，具有更精确的测量效果。高压研究的发展是依赖于实验手段的开发和压力范围的扩大而不断深入的。

一个第三代同步辐射光源不仅可用于高压下多晶的衍射、拓宽研究压力范围，而且可用于高压高温动态过程的研究、高压下单晶衍射、X光吸收边（EXAFS和XANES）、X光荧光等实验方法的研究。

目前，世界上主要的同步辐射光源上都开展了高压研究工作。西欧国家联合在法国建造的ESPF第三代光源和日本的第三人光源Spring-8的科学规划中，高压研究也都占有重要的地位。在同步辐射上进行的高压研究内容，包括了凝聚态物理、天体物理、材料科学、化学等学科的许多前沿课题。因此，同步辐射为国际上高压研究的发展起到了关键的作用。

在最近数年，关于高压下物质的相变研究中，用同步辐射光源解释了很多以前无法解释的同质异构体。在对几十到上百GPa压力下的物质高压行为进行研究后，使人们对物质高压下的性质有了进一步的了解，为高压下物质的能带、电子结构、相变等的理论提供了依据。这些形成了同步辐射学术领域上进行高压研究的热点。