SIRIUS, a nova fonte de luz síncrotron brasileira e suas potencialidades

Minicurso VI @ VIII Encontro de Física e Astronomia da UFSC

THIAGO J. A. MORI

thiago.mori@lnls.br

1

Mensagem final de ontem…

Síncrotrons:Produzem radiação de amplo espectroDiversas técnicas experimentaisMulti-disciplinar

SIRIUS:Um dos melhores síncrotronsUsuários a partir de 2020Laboratório nacional

2

O que vem pela frente:

Aula 1: Introdução a luz síncrotron e Projeto SIRIUS(o que é, pra que serve, como funciona)

Aula 2: Introdução geral a técnicas de luz síncrotron (difração/espalhamento, espectroscopias, microscopias)

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Espectro eletromagnético:

https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_eletromagnético

Os aceleradoressão projetadospara produzirultravioleta e

raios X.

4

Interação radiação-matériaRadiação interage com materiais;

Conhecendo fótons incidentes e interações, deduz-se informações sobre o material

5

Interação radiação-matéria

Na faixa de energia até raios-X, consideramos que a radiação interage somente comos elétrons do material

6

Interação radiação-matériaOs principais processos de interação na região de raios-X

Absorção fotoelétrica

Transferência de Energia

Espalhamento inelástico

Transferência de Momento e Energia

Espalhamento elástico

Transferência de Momento

XAS, XPS, XRF, XEOLARPES, XMCD

XRD, XRRSAXS, WAXS

RIXS, XRSCompton 7

Sirius: linhas da primeira fase

8

Técnicas para estudar materiais ( X ? ? ? )

Difração/espalhamento:Estrutura atômica

Imageamento/microscopia:Informações em espaço real

Espectroscopia :

Estrutura atômica e eletrônica Eu-4fO-2p

Eu-5d

Eu-5d

Eu-4fO-2p

9

Espalhamento + Interferência = Difração

10

Por que síncrotron? (alto brilho…)

11

Por que síncrotron? (alto brilho…)

12

Experimentos em condições extremas

13

Por que síncrotron? (alto brilho…)

14

Por que síncrotron? (alto brilho…)

15

Por que síncrotron? (fótons com alta energia…)

16

Tubo de Cu -> 8 keV SIRIUS -> até ~60 keV

Por que síncrotron? (fótons com energia ajustável…)

17

Possibilidade de medir em ressonância com bordas de absorção!

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Técnicas para estudar materiais ( X ? ? ? )

Difração/espalhamento:Estrutura atômica

Imageamento/microscopia:Informações em espaço real

Espectroscopia :

Estrutura atômica e eletrônica Eu-4fO-2p

Eu-5d

Eu-5d

Eu-4fO-2p

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Resumindo

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Ondas eletromagnéticas

𝐸 𝑥, 𝑡 = 𝐸0 𝑒𝑖(𝑘𝑥−𝜔𝑡)

Fótons

𝐸 = ℏ 𝜔 Ԧ𝑝 = ℏ 𝑘

Energia

(eV)

104 10610210-6 10010-1010-14

Espectro eletromagnético

ESPECTROSCOPIA se aproveita do fato de que todos átomos e moléculas absorvem e emitem luz em certos comprimentos de onda, para estudar a estrutura atômica e eletrônica de materiais.

https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum

21

Modos normais de vibração e ressonância

https://en.wikipedia.org/wiki/Resonancehttps://en.wikipedia.org/wiki/Normal_modehttps://scrapbox.io/musicsurvey/Breaking_a_Wine_Glass_in_Python_By_Detecting_the_Resonant_Frequency

Vibrações possuem modos especiais com frequências de ressonância que dependem da massa e da constante de força.

22

Modos normais de vibração e ressonância

Vibrações possuem modos especiais com frequências de ressonância que dependem da massa e da constante de força.

https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy

M. J. Baker et al. “Using Fourier transform IR spectroscopy to analyze biological materials.”, Nature Protocols., vol. 9, p. 1771–91 (2014)

http://nptel.ac.in

Estrutura secundária(amide I)

Espectroscopia de infravermelho (IR)

A estrutura dos átomosAlguns modelos atômicos

elétron está em órbita ao redor do núcleo

Bohr/Rutherford (1913)

Mecânica Quântica (Probabilidades)

Heisenberg, Schrödinger, Born, Neumann, Dirac, Pauli, Fermi…

(1925 →…)

elétron está em um orbital

Rutherford(1909)

24

25

Átomos, modos normais e ressonânciaConsiderando os orbitais eletrônicos como ondas estacionárias, e

sabendo que transições eletrônicas entre orbitais possuem uma variaçãode energia bem específica, então podemos dizer que estas transições são

associadas a certos modos normais do átomo, ou seja, ressonância!

Configuração Eletrônica: ferro

E=>7000 eV

E =>700 eV

Dis

tânc

ia d

o

núcl

eo

E => 80 eV

E=> 3 eV

Por isso precisamos ter várias linhas de

espectroscopia no SIRIUS!!

Linhas do Sirius para espectroscopia

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EMA: 2.7-35KeV (XMCD/XAS/extreme conditions)

CARNAUBA: 2-12 KeV (X-Ray nano probe)

COLIBRI: 0.1-2 KeV (XAS/PEEM/XMCD)

XARU – 4-40 KeV (XANES/EXAFS)

IPÊ: 0.1-2.0 KeV (RIXS/XPS)

IMBUIA – 0.02-1 eV (nano FTIR)

Processos em espectroscopia

1s

2s2p

vácuo

R-X

1s

2s2p

Elétron ejetado

1s

2s

2p

Elétron Auger

1s

2s2p

Fóton

Processos de excitação Processos de decaimento

28

29

O que aprendemos com um espectro ?

De uma forma simples,o espectro fornece:• Posições• Larguras• Intensidades

XAS – X ray Absorption Spectroscopy

XAS – X ray Photemission Spectrocpy

XES – X ray Emission Spectroscopy

30

Espectroscopia de fotoelétrons

Níveis de energia do Au (79)

4s

4p

3/2

4p

1/2

4f

4d

3/2

4d

5/2

valence band

core states

Ene

rgia

4f

4d5/2

4d3/2

4p3/2

4p1/2

4s

Energia

Inte

nsi

dad

eMedida de XPS

31

Níveis de energia do Au (79)

Ene

rgia

4f

4d5/2

4d3/2

4p3/2

4p1/2

4s4s

4p3/2

4p1/2

4f

4d3/2

4d5/2

val

ence

ban

d

core

sta

tes

4f

4d3/24p3/2

4p1/2

4s

4d5/2

Intensidade

Espectroscopia de fotoelétrons

32

XPS: Estados ocupados

Identificação de átomosQuantificação

Estado químico

Core levelsspin-orbitcouplingAuger electrons

ARPES

• Propriedades eletrônicas• Estados delocalizados

- isolantes- Semicondutores- condutores- condutividade elétrica- mobilidade e densidade de portadores de carga.

Espectroscopia de fotoelétrons

33

A posição do pico é uma identidade de cada elemento

químico

Espectroscopia de absorção

34

Bordas de absorção

Ouro Ferro

Variação da energia em função da borda

35

teII −= 01

sam

ple

x-raysI0 I1

XANESX-ray Absorption

Near Edge Structure

EXAFSExtended X-ray

Absorption

Fine Structure

Espectroscopia de Absorção de Raios X

XANES – Óxidos de Ferro

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XANES – estados desocupados:

- Composição química

- Vizinhança química (distâncias)

- Estado de oxidação

- Coordenação

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(transição 2p → 3d)

XANES – Borda de absorção L para metais 3d:

Além do elemento: Estrutura fina da borda K do carbono

Borda K do carbono

38

Inte

nsi

dad

e

DEL (eV)

02468

291.2 eV

XPS

39

CaO

SrTiO3

[Ar] 3d6 [Ar] 3d0 4s0

XANES – Simetria localBorda de absorção L3,2 para óxidos 3d:

(transição 2p → 3d)

DICROÍSMO

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E se a luz for polarizada?

Dicroísmo linear de raios X - XLD

41

Orbitais com ligações pi and sigma em grafeno monocamada

Dicroísmo circular magnético de raios X - XMCD

42

Dicroísmo circular natural de raios X - XNCD

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Quiralidade em amostras imperfeitas de HOPG

Processos ressonantesEspectroscopia/Espalhamento/Microscopia com energia igual à borda de um elemento

Seletividade química, contrastes de dicroísmo, etc.

44

EspectroscopiasRPES, RXPS

RAES, RXES

Espalhamento/DifraçãoASAXS, SAD, MAD

R-XRD , R-SAXS, R-XRR

MicroscopiasSTXM, PEEM, TXM,

PTYCOGRAPHY

Espalhamento inelástico de raios-X ressonante (RIXS)Que tal olharmos para os fótons emitidos após uma absorção ressonante?

Podemos acessar excitações eletrônicas locais e coletivas.

Regras de seleção dipolar não são obstáculo, mas seções de choque são muito baixas.

O momento do fóton pode ser usado para medir dispersão.

45

Excitações coletivas Excitações locais

eg

t2g

(ħw1, ħk1)

(ħw2, ħk2)

ħw = ħw2 - ħw1

q = |k2 - k1|~ 2k1sin(2q/2) = (4p/l)sin(2q/2)

2q

Energia e Momento transferidos

Fornece informações sobre

dispersão de excitações eletrônicas!46

Espalhamento inelástico de raios-X

RIXS em materiais correlacionados Dispersão de spinons e orbitons

Excitações eletrônicas exóticas resultantes de fortes correlações eletrônicas

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3) Dispersão em momento

Nature 485 82 (2012)

resonance

2) Espectro ressonante1) Mapas de RIXS

Bond stretching and breaking

Bond stretching

Measure potential energy surfaces for specific bonds

Potential Energy Surface (PES)

Measuring Potential Energy Surfaces

C=O length

Ketone stretching

O1s =531 eV

Técnicas para estudar materiais ( X ? ? ? )

Difração/espalhamento:Estrutura atômica

Imageamento/microscopia:Informações em espaço real

Espectroscopia :

Estrutura atômica e eletrônica Eu-4fO-2p

Eu-5d

Eu-5d

Eu-4fO-2p

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Imageamento por raios X

51

Imageamento por raios X

Fotoemissão, absorção / Contrastes químicos, ferroelétrico, magnético, etc.

52

Imageamento por raios X - Fourier

53

Imageamento por raios X - Fourier

54

Imageamento por raios X - Fourier

55

Imageamento por raios X - Fourier

56

Precisamos de coerência!

57

Regimes de imageamento

58

SIRIUS terá vários microscópios!

59

Primeiras imagens de tomografia

60

Primeiras imagens de tomografia

61

Como é o acesso ao síncrotron?

62

Programas de formação do CNPEM

63

Mais informações:

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Perguntas? thiago.mori@lnls.br

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Project Budget

Budget (up to 2020)

•Building 200 M US$•13 beamlines 120 M US$•Accelerator 110 M US$•Human Res 60 M US$•Infrastructure 30M US$

•Total 520 M US$

Integrated Resources (M US$)