凡瑞霞　曹偉濤

摘要同步輻射是電子同步加速器中產(chǎn)生的電磁輻射（SynchrotronRadiation，簡稱SR）。凝聚態(tài)物理研究固體、液體、液晶和無序物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)和規(guī)律，是物理學(xué)中內(nèi)容最豐富、應(yīng)用最廣泛的一門分支學(xué)科。SR的出現(xiàn)也是首先應(yīng)用到凝聚態(tài)物理范疇，凝聚態(tài)物理涉及的范圍十分廣泛，本文只介紹SR在凝聚態(tài)物理若干領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞同步輻射凝聚態(tài)物理范疇

1凝聚態(tài)物理的基本理論

同步輻射是粒子加速器中從幾百M(fèi)eV到10GeV以上的高能帶電粒子（通常為電子）發(fā)射的電磁輻射。在同步源所提供的強(qiáng)輻射的波長范圍內(nèi)，還沒有適用的激光源或者可調(diào)諧的激光源。由于同步輻射具有很多我們所要的性能，比如高度大，可調(diào)范圍寬、準(zhǔn)直性強(qiáng)、線性極化好、穩(wěn)定性高，另外這種輻射常常以0.1-1ns脈沖的形式出現(xiàn)，在過去的10年中，粒子物理學(xué)的這一廢棄的副產(chǎn)品已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到低能物理學(xué)的廣闊領(lǐng)域之中，凝聚態(tài)物理學(xué)中，業(yè)已采用同步輻射從實(shí)驗(yàn)上確定Cu或Ni之類元素或GaAs的CdS之類半導(dǎo)體材料中電子的能量—?jiǎng)恿筷P(guān)系E（k）；通過實(shí)驗(yàn)確定交換分裂同溫度的依賴關(guān)系，證明用純能帶模型去解釋Nir的鐵磁性是不恰當(dāng)?shù)??？v觀凝聚態(tài)物理學(xué)的基本理論，如固體能帶理論、點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué)理論、對(duì)稱破缺的相變理論、缺陷理論等，都非常有效。它們解釋和指導(dǎo)了材料的生產(chǎn)，如：說明了銅、鋁等金屬的導(dǎo)電性；鍺、硅及砷化鎵等材料的半導(dǎo)體性質(zhì)；鐵、鈷、鎳及一些稀土金屬的鐵磁性；錫、鈮等金屬與合金的超導(dǎo)電性；鈦酸鋇、鈮酸鋰、磷酸二氘鉀等晶體的鐵電性。

2SR在凝聚態(tài)物理中的應(yīng)用

2.1同步輻射的內(nèi)涵

同步輻射是一種用途廣泛的強(qiáng)光源。在電子同步加速器中，同步輻射強(qiáng)度與電子能量的四次方成正比，并與加速器半徑的平方成反比。就可以借著同步光源連續(xù)拍下間隔百分之一秒的圖像。（1）繞射同步輻射是很強(qiáng)而且極狹窄的光束，這兩點(diǎn)特性，可用于蛋白質(zhì)晶體的繞射研究，以了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)不容易生成晶體，故樣品本身的生成不是一個(gè)純技術(shù)的問題。一般來說，生成的蛋白質(zhì)晶體都很小，用同步輻射從事其繞射結(jié)構(gòu)的研究已顯示比傳統(tǒng)的高強(qiáng)度x光繞射結(jié)果清晰得多。另外，同步輻射具有連續(xù)而光度強(qiáng)的特性，已開始被用于能量散布繞射的實(shí)驗(yàn)，照射時(shí)間短，因而可研究晶體粉末受壓、加溫時(shí)的相變化。（2）漫散射X光漫散射指的是高序的布喇格繞射，強(qiáng)度很弱，但是它對(duì)晶體結(jié)構(gòu)或非晶體結(jié)構(gòu)都能提供重要的資料，所以在以傳統(tǒng)的強(qiáng)x光為光源的實(shí)驗(yàn)中，已有不少應(yīng)用。同步輻射具有強(qiáng)的連續(xù)光譜及狹窄的光束，在這方面的研究應(yīng)有很好的前途。

2.2應(yīng)用領(lǐng)域

凝聚態(tài)物理研究固體、液體、液晶和無序物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)和規(guī)律，是物理學(xué)中內(nèi)容最豐富、應(yīng)用最廣泛的一門分支學(xué)科.SR的出現(xiàn)也是首先應(yīng)用到凝聚態(tài)物理范疇，凝聚態(tài)物理涉及的范圍十分廣泛，本文只介紹SR在凝聚態(tài)物理若干領(lǐng)域的應(yīng)用。

同步輻射加速器可以說是應(yīng)用范圍最廣泛的加速器。人類利用加速器的歷史已經(jīng)有很長一段時(shí)間了，從湯姆生（J．J．Thomson）發(fā)明陰極射線管而發(fā)現(xiàn)了電子以來，已經(jīng)有一百多年的歷史。在這期間加速器也越做越大，而且跟核物理和粒子物理的躍進(jìn)息息相關(guān)，粒子加速器可以說是推動(dòng)這兩門學(xué)科前進(jìn)的助推器。歷經(jīng)一個(gè)世紀(jì)的衍生與改良，今天的粒子加速器幾乎在物理的各個(gè)分支（從基本粒子到固態(tài)物理）都可以找到廣泛的應(yīng)用實(shí)例，即使在其他學(xué)科中（例如研究物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、生物分子的排列，甚至進(jìn)行微量元素的追蹤分析）都少不了各式各樣的加速器。不過，加速器的應(yīng)用范圍在同步輻射加速器發(fā)明以后，又大為擴(kuò)充到前所未有的領(lǐng)域。

同步輻射不同于其他的光源，其方向性很強(qiáng)，并且其是一個(gè)天然的“窄束光”，能夠沿著電子軌道的切弦進(jìn)行發(fā)射，并以切線方向作為其軸線，在該面積較窄的椎體中集中。從時(shí)間分布上來看，同步輻射形式為脈沖式，其中，每一個(gè)光脈沖能夠維持0.2ns左右的時(shí)間。決定脈沖周期的因素主要是電子團(tuán)速間距其最短為2ns，最長為780ns，在跟光源有很遠(yuǎn)距離的樣品中，其能夠接受很高的光強(qiáng)度，且光斑的面積很小，在這種情況下，有利于光刻、光的顏射，也能夠在高壓的情況下進(jìn)行工作。因此，脈沖光源其重復(fù)性很好，且其同步輻射，為瞬態(tài)過程研究提供一定條件。對(duì)于一些需要時(shí)間分辨的試驗(yàn)，例如在對(duì)熒光物質(zhì)發(fā)光壽命進(jìn)行測量時(shí)，可以充分利用該條件。

3應(yīng)用實(shí)例——在高壓研究中同步輻射的應(yīng)用

物理性質(zhì)的基礎(chǔ)建立在物質(zhì)結(jié)構(gòu)上，而物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究可以采用X射線衍射作為一種有效的研究方法。在高壓時(shí)的X射線衍射不同于普通衍射，其主要區(qū)別主要有以下幾個(gè)方面：首先，在高壓情況下，樣品的體積比較小，且射線會(huì)經(jīng)過高壓腔體而被吸收，同時(shí)，因?yàn)閴毫η徊牧系膹?qiáng)度會(huì)對(duì)其產(chǎn)生限制，為了保持其壓力，應(yīng)降低高壓腔體中所具有的樣品的體積。采用普通的X射線，其試驗(yàn)時(shí)間及分辨率不能滿足要求，壓力比較低的情況下，采用普通的光源也不能進(jìn)行任何動(dòng)態(tài)反應(yīng)研究，因此，當(dāng)壓力大大升高時(shí)，就更不可能實(shí)現(xiàn)了。采用這種光源，為高壓研究提供了理想的光源。

同步輻射具有亮度高、發(fā)散度低等優(yōu)點(diǎn)，其能夠產(chǎn)生很大的能量，從很久以前，人們就對(duì)同步輻射進(jìn)行了研究，并采用其來進(jìn)行高壓試驗(yàn)，在高壓情況下，結(jié)構(gòu)研究緊密聯(lián)系同步輻射。研究壓力范圍也不斷拓展，目前，其壓力已經(jīng)達(dá)到了很高，從而為高壓中物質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化過程提供研究的可能性。并且在高壓結(jié)構(gòu)下，采用同步輻射光源，具有更精確的測量效果。高壓研究的發(fā)展是依賴于實(shí)驗(yàn)手段的開發(fā)和壓力范圍的擴(kuò)大而不斷深入的。

一個(gè)第三代同步輻射光源不僅可用于高壓下多晶的衍射、拓寬研究壓力范圍，而且可用于高壓高溫動(dòng)態(tài)過程的研究、高壓下單晶衍射、X光吸收邊（EXAFS和XANES）、X光熒光等實(shí)驗(yàn)方法的研究。

目前，世界上主要的同步輻射光源上都開展了高壓研究工作。西歐國家聯(lián)合在法國建造的ESPF第三代光源和日本的第三人光源Spring-8的科學(xué)規(guī)劃中，高壓研究也都占有重要的地位。在同步輻射上進(jìn)行的高壓研究內(nèi)容，包括了凝聚態(tài)物理、天體物理、材料科學(xué)、化學(xué)等學(xué)科的許多前沿課題。因此，同步輻射為國際上高壓研究的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。

在最近數(shù)年，關(guān)于高壓下物質(zhì)的相變研究中，用同步輻射光源解釋了很多以前無法解釋的同質(zhì)異構(gòu)體。在對(duì)幾十到上百GPa壓力下的物質(zhì)高壓行為進(jìn)行研究后，使人們對(duì)物質(zhì)高壓下的性質(zhì)有了進(jìn)一步的了解，為高壓下物質(zhì)的能帶、電子結(jié)構(gòu)、相變等的理論提供了依據(jù)。這些形成了同步輻射學(xué)術(shù)領(lǐng)域上進(jìn)行高壓研究的熱點(diǎn)。