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
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Mensagem final de ontem…
Síncrotrons:Produzem radiação de amplo espectroDiversas técnicas experimentaisMulti-disciplinar
SIRIUS:Um dos melhores síncrotronsUsuários a partir de 2020Laboratório nacional
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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.
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Interação radiação-matériaRadiação interage com materiais;
Conhecendo fótons incidentes e interações, deduz-se informações sobre o material
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Interação radiação-matéria
Na faixa de energia até raios-X, consideramos que a radiação interage somente comos elétrons do material
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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
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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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Espalhamento + Interferência = Difração
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Por que síncrotron? (alto brilho…)
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Por que síncrotron? (alto brilho…)
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Experimentos em condições extremas
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Por que síncrotron? (alto brilho…)
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Por que síncrotron? (alto brilho…)
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Por que síncrotron? (fótons com alta energia…)
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Tubo de Cu -> 8 keV SIRIUS -> até ~60 keV
Por que síncrotron? (fótons com energia ajustável…)
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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
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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.
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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A posição do pico é uma identidade de cada elemento
químico
Espectroscopia de absorção
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Bordas de absorção
Ouro Ferro
Variação da energia em função da borda
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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
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Inte
nsi
dad
e
DEL (eV)
02468
291.2 eV
XPS
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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
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Orbitais com ligações pi and sigma em grafeno monocamada
Dicroísmo circular magnético de raios X - XMCD
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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.
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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.
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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
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Imageamento por raios X
Fotoemissão, absorção / Contrastes químicos, ferroelétrico, magnético, etc.
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Imageamento por raios X - Fourier
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Imageamento por raios X - Fourier
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Imageamento por raios X - Fourier
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Imageamento por raios X - Fourier
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Precisamos de coerência!
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Regimes de imageamento
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SIRIUS terá vários microscópios!
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Primeiras imagens de tomografia
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Primeiras imagens de tomografia
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Como é o acesso ao síncrotron?
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Programas de formação do CNPEM
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Mais informações:
Siga o LNLS no YouTube e redes sociais!64
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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$)
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