Угловая корреляция электрон-позитронного аннигиляционного излучения
Конденсированное вещество эксперименты |
---|
![]() |
АРФЫ |
АКАР |
Рассеяние нейтронов |
Рентгеновская спектроскопия |
Квантовые колебания |
Сканирующая туннельная микроскопия |
Угловая корреляция электрон-позитронно-аннигиляционного излучения (ACAR или ACPAR) — это метод физики твердого тела, позволяющий исследовать электронную структуру металлов. В нем используются позитроны , которые имплантируются в образец и аннигилируют вместе с электронами. В большинстве случаев аннигиляции два гамма-кванта создаются , которые в системе отсчета пары электрон-позитрон излучаются в точно противоположных направлениях. В лабораторной системе имеется небольшое угловое отклонение от коллинеарности, вызванное импульсом электрона . Таким образом, измерение угловой корреляции аннигиляционного излучения дает информацию о распределении электронов по импульсам в твердом теле.
Исследование электронной структуры
[ редактировать ]
Все макроскопические электронные и магнитные свойства твердого тела обусловлены его микроскопической электронной структурой. В простой модели свободных электронов электроны не взаимодействуют ни друг с другом, ни с ядрами атомов. Связь между энергией и импульс дается
с массой электрона . Следовательно, существует однозначная связь между энергией электрона и импульсом. Благодаря принципу Паули электроны заполняют все состояния до максимальной энергии, так называемой энергии Ферми . По соотношению импульс-энергия это соответствует импульсу Ферми . Граница между занятым и незанятым состояниями импульса, поверхность Ферми , возможно, является наиболее важной особенностью электронной структуры и оказывает сильное влияние на свойства твердого тела. [ 2 ] В модели свободных электронов поверхность Ферми представляет собой сферу.
С помощью ACAR можно измерить распределение электронов по импульсам. Например, измерение газа свободных электронов даст положительную интенсивность импульсов. и нулевая интенсивность для . Саму поверхность Ферми можно легко идентифицировать в результате такого измерения по разрыву при .

В действительности происходит взаимодействие электронов между собой и атомными ядрами кристалла. Это имеет несколько последствий: например, нарушается однозначная связь между энергией и импульсом электронного состояния и электронная зонная структура формируется . Измерение импульса одного электронного состояния дает распределение импульсов, которые разделены векторами обратной решетки . Следовательно, измерение ACAR на твердом теле с полностью заполненными зонами (т.е. на изоляторе ) дает непрерывное распределение. Измерение ACAR на металле имеет разрывы, где полосы пересекают уровень Ферми во всех зонах Бриллюэна в обратном пространстве. На это прерывистое распределение накладывается сплошное распределение полностью заполненных полос. Из разрывов можно выделить поверхность Ферми.
Поскольку позитроны, образующиеся в результате бета-распада, обладают продольной спиновой поляризацией, можно исследовать спин-разрешенную электронную структуру магнитных материалов. Таким образом, можно разделить вклады от основного и неосновного спиновых каналов и измерить поверхность Ферми в соответствующих спиновых каналах. [ 3 ]
ACAR имеет ряд преимуществ и недостатков по сравнению с другими, более известными методами исследования электронной структуры, такими как ARPES и квантовые осцилляции : ACAR не требует ни низких температур, ни сильных магнитных полей, ни условий сверхвысокого напряжения . Кроме того, можно исследовать электронную структуру на поверхности и в объеме ( глубиной 100 нм ). Однако ACAR полагается на бездефектные образцы, поскольку концентрация вакансий достигает 10 −6 на атом может эффективно улавливать позитроны и искажать измерения. [ примечание 1 ]
Теория
[ редактировать ]При измерении ACAR измеряется угловое отклонение многих пар аннигиляционного излучения. Поэтому основную физическую наблюдаемую величину часто называют «плотностью двухфотонного импульса» (TPMD) или . Квантово-механически, может быть выражено как квадрат абсолютного значения преобразования Фурье многочастичной волновой функции всех электронов и позитронов в твердом теле:
Поскольку невозможно представить или вычислить волновую функцию многих частиц , его часто записывают как сумму одночастичных волновых функций электрона в состояние в -я зона и волновая функция позитрона :
Фактор усиления объясняет электрон-позитронную корреляцию. [ примечание 2 ] Существуют сложные усовершенствованные модели для описания электрон-позитронных корреляций. [ 4 ] но в дальнейшем предполагается, что . Это приближение называется моделью независимых частиц (IPM).
Очень наглядную форму TPMD можно получить, используя коэффициенты Фурье для произведения волновой функции. :
Эти коэффициенты Фурье распределены по всем обратным векторам. . Если предположить, что перекрытие волновой функции электрона и позитрона постоянно для одной и той же зоны , суммирование по всем векторам обратной решетки дает очень поучительный результат: [ 5 ]
Функция – ступенчатая функция Хевисайда и константа . Это означает, что если сворачивается обратно в первую зону Бриллюэна, результирующая плотность плоская, за исключением импульса Ферми. Следовательно, поверхность Ферми можно легко идентифицировать, ища эти разрывы в .
Детали эксперимента
[ редактировать ]
Когда позитрон имплантируется в твердое тело, он быстро теряет всю свою кинетическую энергию и аннигилирует вместе с электроном. В результате этого процесса создаются два гамма-кванта по 511 кэВ каждый, которые находятся в системе отсчета пары электрон-позитрон, излучаемой в точно антипараллельных направлениях. Однако в лабораторных условиях имеется доплеровский сдвиг от 511 кэВ и угловое отклонение от коллинеарности. Хотя полная информация об импульсе электрона закодирована в аннигиляционном излучении, из-за технических ограничений она не может быть полностью восстановлена. Либо измеряется доплеровское уширение аннигиляционного излучения 511 кэВ (DBAR), либо угловая корреляция аннигиляционного излучения (ACAR).
детектор с высоким энергетическим разрешением, такой как детектор из германия Для DBAR необходим высокой чистоты. Такие детекторы обычно не определяют положение поглощенных фотонов. Следовательно, только продольная составляющая импульса электрона можно измерить. Полученное измерение представляет собой 1D-проекцию .
В позиционно-чувствительных детекторах ACAR гамма-камеры или многопроводные пропорциональные камеры используются . Такие детекторы обычно имеют позиционное разрешение от 1 до 3 мм , но энергетическое разрешение достаточно для сортировки рассеянных фотонов или фонового излучения. Как отбрасывается, 2D-проекция измеряется. Чтобы получить высокое угловое разрешение 1 × 10 −3 рад и выше, детекторы необходимо устанавливать на расстоянии 16–20 м друг от друга. Хотя можно получить еще лучшее угловое разрешение, разместив детекторы дальше друг от друга, за это приходится платить скоростью счета. Уже при умеренных расстояниях детектора измерение одной проекции обычно это занимает недели. [ примечание 3 ]
Поскольку АКАР измеряет прогнозы TPMD, необходимо реконструировать чтобы восстановить поверхность Ферми. методы, аналогичные рентгеновской компьютерной томографии Для такой реконструкции используются . В отличие от человеческого тела, кристалл обладает множеством симметрий, которые можно учесть при реконструкции. Это усложняет процедуру, но повышает качество реконструкции. Другой способ оценить спектры ACAR — количественное сравнение с расчетами ab initio . [ 7 ]
История
[ редактировать ]В первые годы ACAR в основном использовался для исследования физики процесса электрон-позитронной аннигиляции. В 1930-е годы обсуждались несколько механизмов аннигиляции. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Отто Клемперер смог показать с помощью своей установки угловой корреляции, что пары электрон-позитрон аннигилируют в основном с образованием двух гамма-квантов, которые испускаются антипараллельно. [ 9 ] В 1950-х годах стало понятно, что, измеряя отклонение аннигиляционного излучения от коллинеарности, можно получить информацию об электронной структуре твердого тела. [ 11 ] [ 12 ]
В это время в основном использовались установки с «длинной геометрией щели». Они состояли из источника позитронов и образца в центре, одного неподвижного детектора с одной стороны и второго подвижного детектора с другой стороны образца. Каждый детектор был коллимирован таким образом, что активная область была намного меньше в одном измерении, чем в другом (отсюда и «длинная щель»). [ примечание 4 ] Измерение с использованием установки с длинной щелью дает одномерную проекцию плотности импульса электронов. . Следовательно, этот метод называется 1D-ACAR.
Разработка двумерных гамма-камер и многопроволочных пропорциональных камер в 1970-х и начале 1980-х годов привела к созданию первого 2D-ACAR-спектрометра. [ 14 ] [ 15 ] Это было усовершенствованием 1D-ACAR по двум причинам: i) можно было повысить эффективность обнаружения и ii) значительно увеличить информационную составляющую, поскольку измерение давало 2D-проекцию . Важным ранним примером использования спин-поляризованного 2D-ACAR является доказательство половинной металличности в полу- сплаве Гейслера NiMnSb. [ 16 ] [ 17 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Вебер, Дж.А.; Бони, П.; Сиэх, Х.; Лейтнер, М.; Хугеншмидт, Ч. (1 января 2013 г.). «Первые измерения меди 2D-ACAR на новом спектрометре в ТУМ». Физический журнал: серия конференций . 443 (1): 012092. arXiv : 1304.5363 . Бибкод : 2013JPhCS.443a2092W . дои : 10.1088/1742-6596/443/1/012092 . ISSN 1742-6596 . S2CID 119246268 .
- ^ Дагдейл, SB (01 января 2016 г.). «Жизнь на грани: руководство для начинающих по поверхности Ферми» . Физика Скрипта . 91 (5): 053009. Бибкод : 2016PhyS...91e3009D . дои : 10.1088/0031-8949/91/5/053009 . hdl : 1983/18576e8a-c769-424d-8ac2-1c52ef80700e . ISSN 1402-4896 .
- ^ Вебер, Дж.А. (1 января 2015 г.). «Поверхность Ферми с разрешением по спину локализованного ферромагнитного соединения Гейслера». Письма о физических отзывах . 115 (20): 206404. arXiv : 1510.07808 . Бибкод : 2015PhRvL.115t6404W . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.206404 . ПМИД 26613459 . S2CID 29184856 .
- ^ Ярлборг, Т.; Сингх, АК (9 января 1987 г.). «Подход локальной плотности для расчета электрон-позитронного усиления в переходных металлах». Физ. Преподобный Б. 36 (9): 4660–4663. Бибкод : 1987PhRvB..36.4660J . дои : 10.1103/PhysRevB.36.4660 . ПМИД 9943477 .
- ^ Лок, Д.Г.; Крисп, ВХК; Уэст, РН (1 января 1973 г.). «Аннигиляция позитронов и исследование поверхности Ферми: новый подход». Физический журнал F: Физика металлов . 3 (3): 561. Бибкод : 1973JPhF....3..561L . дои : 10.1088/0305-4608/3/3/014 . ISSN 0305-4608 .
- ^ Сиэх, Хьюберт; Вебер, Дж.А.; Лейтнер, Майкл; Бони, Питер; Хугеншмидт, Кристоф (01 апреля 2013 г.). «Стадия источник-образец нового двумерного спектрометра угловой корреляции аннигиляционного излучения в Техническом университете Мюнхена». Обзор научных инструментов . 84 (4): 043905–043905–7. Бибкод : 2013RScI...84d3905C . дои : 10.1063/1.4801454 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 23635207 . S2CID 37765775 .
- ^ Сиэх, Хьюберт (16 февраля 2016 г.). «Сила локального электрон-электронного взаимодействия в ферромагнитном никеле, определяемая спин-поляризованной аннигиляцией позитронов» . Научные отчеты . 6 : 20898. arXiv : 1501.02584 . Бибкод : 2016NatSR...620898C . дои : 10.1038/srep20898 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 4754699 . ПМИД 26879249 .
- ^ Ферми, Энрико; Уленбек, Джордж (1 января 1933 г.). «О рекомбинации электронов и позитронов». Физический обзор . 44 (6): 510–511. Бибкод : 1933PhRv...44..510F . дои : 10.1103/PhysRev.44.510.2 . S2CID 14182018 .
- ^ Перейти обратно: а б Клемперер, Отто (1 июля 1934 г.). «Об аннигиляционном излучении позитрона». Математические труды Кембриджского философского общества . 30 (3): 347–354. Бибкод : 1934PCPS...30..347K . дои : 10.1017/s0305004100012536 . ISSN 1469-8064 . S2CID 52101784 .
- ^ Перрен, Ф. (1933). «Материализация электронов при столкновении двух электронов. Различные процессы аннигиляции положительных электронов». Доклады Академии наук . 197 :1302.
- ^ ДеБенедетти, С.; Коуэн, CE; Коннекер, WR; Примаков, Х. (1 января 1950 г.). «Об угловом распределении двухфотонного аннигиляционного излучения». Физ. Преподобный . 77 (2): 205. Бибкод : 1950ФРв...77..205Д . дои : 10.1103/PhysRev.77.205 .
- ^ Майер-Лейбниц, Хайнц (1951). «Импульс при аннигиляции медленных позитронов в различных твердых телах» . Журнал естественных исследований А. 6 (11): 663. Бибкод : 1951ЗНатА...6..663М . дои : 10.1515/zna-1951-1117 . S2CID 93760583 .
- ^ Фудзивара, Кунио; Суэока, Осаму (7 января 1966 г.). «Точное измерение угловой корреляции аннигиляционного излучения в монокристаллах меди» . Журнал Физического общества Японии . 21 (10): 1947. Бибкод : 1966JPSJ...21.1947F . дои : 10.1143/JPSJ.21.1947 .
- ^ Мануэль, А.А.; Фишер, О.; Питер, М.; Дживонс, AP (15 октября 1978 г.). «Применение пропорциональных камер для измерения электронных свойств твердых тел путем аннигиляции позитронов». Ядерные приборы и методы . 156 (1): 67–71. Бибкод : 1978NucIM.156...67M . дои : 10.1016/0029-554X(78)90693-6 .
- ^ Уэст, РН (1981). «Высокоэффективный двумерный угловой корреляционный спектрометр для исследований позитронов». Физический журнал E: Научные инструменты . 14 (4): 478–488. Бибкод : 1981JPhE...14..478W . дои : 10.1088/0022-3735/14/4/021 .
- ^ Ханссен, КЕМ; Миньярендс, ЧП (10 января 1986 г.). «Позитронно-аннигиляционное исследование полуметаллического ферромагнетика NiMnSb: Теория». Физ. Преподобный Б. 34 (8): 5009–5016. Бибкод : 1986PhRvB..34.5009H . дои : 10.1103/PhysRevB.34.5009 . ПМИД 9940323 .
- ^ Ханссен, КЕМ; Миньярендс, ЧП; Рабу, LPLM; Бушоу, KHJ (7 января 1990 г.). «Исследование позитронной аннигиляции полуметаллического ферромагнетика NiMnSb: Эксперимент». Физ. Преподобный Б. 42 (3): 1533–1540. Бибкод : 1990PhRvB..42.1533H . дои : 10.1103/PhysRevB.42.1533 . ПМИД 9995582 .
Примечания
[ редактировать ]- ^ Эта чувствительность используется в спектроскопии времени жизни позитронов для исследования даже очень низких концентраций дефектов.
- ^ Для простоты в этом примере игнорируется электрон-электронная корреляция.
- ^ Более подробную информацию о настройке ACAR можно найти в [ 6 ]
- ^ Эскиз установки с длинной щелью см., например. [ 13 ]
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Дюпаскье, Альфредо (1 января 1995 г.). Позитронная спектроскопия твердых тел . ИОС Пресс. ISBN 9789051992038 .
- Дагдейл, С.Б. (2014). «Исследование поверхности Ферми методом аннигиляции позитронов и комптоновского рассеяния» . Физика низких температур . 40 (4): 328. Бибкод : 2014LTP....40..328D . дои : 10.1063/1.4869588 . hdl : 1983/df44f2a9-b0e0-4900-8fb2-8a74d13a3889 .