Высокая награда

Премия имени И.И. Шувалова за научную деятельность II степени присуждена доценту кафедры физики твердого тела физического факультета Алексею Павловичу Орешко за докторскую диссертацию «Анизотропные и интерференционные эффекты в резонансной дифракции синхротронного излучения».

По просьбе главного редактора газеты о своей научной работе рассказал А.П. Орешко

Одной из основных целей научных разработок последних десятилетий является создание функциональных и полифункциональных материалов, открывающих новые возможности для развития информационных технологий, энергетики, медицины, химической и металлургической промышленности, аэрокосмических и транспортных систем. В свою очередь, создание новых материалов не возможно без знания связи между составом вещества, его атомно-кристаллической структурой и их общей функции, т.е решения проблемы «состав-структура-свойства», сформулированной заведующим кафедрой физики твердого тела профессором Г.С. Ждановым еще в начале 1950-х годов.

Давно известными традиционными методами исследования атомно-кристаллической структуры вещества являются методы, основанные на дифракции рентгеновских лучей. Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны, сопоставимой с межатомными расстояниями в кристаллах. При падении рентгеновского излучения на кристалл, атомы кристалла становятся источниками вторичных волн. Изменяя длину волны падающего излучения и ориентацию кристалла относительно падающего излучения, можно добиться конструктивной интерференции вторичных волн. В этом случае наблюдается дифракционная картина, состоящая из набора максимумов (или отражений). Рентгеновские дифракционные исследования являются традиционными для кафедры физики твердого тела, основанной в самом начале 1930-х годов как кафедра рентгеноструктурного анализа.

Рентгенодифракционные методы позволяют по набору дифракционных максимумов, учитывая их положение, ширину и интенсивность, определить положение атомов в кристалле. При этом мы получаем информацию, усредненную по элементарной ячейке (части атомной структуры, параллельными переносами которой можно заполнить всю структуру) и возникает естественный вопрос: а можно ли исследовать только один атом и его ближайшее (локальное) окружение в кристалле?

Да! Это нам позволяет сделать резонансная дифракция рентгеновского излучения. Резонансная дифракция рентгеновского излучения в кристаллах наблюдается при энергии падающего излучения близкой к краю поглощения какого-либо атома в исследуемом веществе, т.е достаточной для того, чтобы выбить электрон с внутренней заполненной оболочки атома в не занятое состояние валентной зоны. При энергии падающего излучения близкой к краю поглощения какого-либо атома в исследуемом веществе ярко проявляется анизотропия резонансного рассеяния. Причиной возникновения анизотропии является расщепление уровней возбужденного состояния атома из-за искажений электронных орбиталей атома полями соседних атомов. В этом случае амплитуда рассеяния резонансного излучения атомом зависит не только от угла между падающим и рассеянным излучением, но также от угла между направлениями волновых векторов и локальной осью анизотропии.

Метод резонансной дифракции рентгеновского излучения начал развиваться в 1980-х годах. Он обладает важнейшими особенностями: селективностью, т.е. возможностью исследования только той подсистемы кристалла, для которой частота падающего излучения является резонансной, а также возможностью исследования локального окружения резонансного атома. Недостатком метода является относительная малость наблюдаемых эффектов. Эту проблему стало возможным решить с использованием источников синхротронного излучения — магнитотормозного излучения, испускаемого релятивистскими заряженными частицами в однородном магнитном поле. Определяющую роль в предсказании и развитии теории синхротронного излучения сыграли профессора кафедры теоретической физики физического факультета Д.Д. Иваненко, А.А. Соколов и И.М. Тернов, а значительный вклад в исследования взаимодействия синхротронного излучения с веществом был внесен профессором кафедры оптики и спектроскопии В.В. Михайлиным.

Наиболее ярким проявлением анизотропии резонансного рассеяния является возникновение так называемых «запрещенных» отражений. Такие отражения запрещены при энергии падающего излучения далекой от энергии края поглощения атомов из-за симметрии кристалла. В тех случаях, когда при энергии падающего излучения близкой к раю поглощения атома возникает анизотропия рассеяния, вместо погасаний появляются дополнительные отражения, которые и называют «запрещенными». Так как нерезонансный вклад в такие отражения подавлен, на «нулевом» фоне гораздо более ярко проявляются слабые анизотропные эффекты, а энергетическая структура таких отражений напрямую показывает искажение электронных уровней в среде. Существование «запрещенных» отражений было предсказано ведущим научным сотрудником Института Кристаллографии РАН В.Е. Дмитриенко в начале 1980-х годов, а симметрийный подход для их описания был разработан В.Е. Дмитриенко и профессором кафедры физики твердого тела Е.Н. Овчинниковой.

Существующая в настоящее время теория позволяет проводить лишь качественное описание эффектов, возникающих при наличии только одного анизотропного фактора, оказывающего влияние на резонансное рассеяние. Вместе с этим, в последнее время появляется все больше экспериментальных исследований, результаты которых уже не могут быть интерпретированы в рамках существующей теории.

Цель работы состояла в создании теоретических методов исследования резонансной дифракции рентгеновского синхротронного излучения в кристаллах, обладающих локальной анизотропией, а также в средах, в которых локальная анизотропия вызвана наличием нескольких анизотропных факторов.

Для описания «запрещенных» отражений в настоящее время, без должного обоснования, применяется кинематическое приближение теории дифракции, не учитывающее взаимодействие первичной и вторичной волн. Для устранения этого пробела была построена точная динамическая теория резонансной дифракции рентгеновских лучей. На основе полученных в работе результатов, впервые было точно доказано, что кинематическое приближение действительно можно использовать при описании «запрещенных» отражений.

Вместе с этим было теоретически предсказано существование и чисто динамического эффекта — эффекта аномального прохождения в условиях резонансной дифракции. Это предсказание было экспериментально подтверждено на источнике синхротронного излучения Diamond Light Source (Оксфорд, Великобритания).

В работе исследовались «запрещенные» отражения в кристаллах, вызванные одновременным присутствием нескольких анизотропных факторов (под анизотропными факторами подразумеваются любые причины, вызывающие анизотропию рассеяния), и в кристаллах с несколькими кристаллографически неэквивалентными позициями резонансных атомов. Полученные теоретические результаты стимулировали проведение ряда экспериментальных исследований на источниках синхротронного излучения КЦСИиН (НИЦ «Курчатовский институт», Москва), ESRF (Гренобль, Франция), DESY (Гамбург, Германия).

Полученные в работе результаты являются теоретической основой нового локального метода исследования структуры, электронных и фононных состояний в кристаллах, основанного на изучении энергетических, температурных и поляризационных зависимостей чисто резонансных «запрещенных» отражений, вызванных различными физическими механизмами.

Развитый метод был успешно использован в работе для исследования плотности электронных состояний валентной зоны атомов германия в кристалле германия, атомов цинка в оксиде цинка, атомов галлия в нитриде галлия; расщепления валентной зоны в кристаллах железо-иттриевого, иттрий-алюминиевого и галлий-гадолиниевого гранатов. С его помощью были определены температурная зависимости корреляционных функций среднеквадратичных смещений атомов в оксиде цинка и нитриде галлия; заложены пути решения важнейшей фазовой проблемы дифракционного структурного анализ.

Разработанная в работе динамическая теория резонансной дифракции имеет и важное технологическое значение для создания высокоэффективных рентгеновских зеркал и волноводов.

Помимо практических результатов, которые можно получить благодаря изучению «запрещенных» отражений при энергии падающего излучения вблизи краев поглощения кого-либо из атомов исследуемого вещества, этот метод позволил получить некоторые результаты, важные для фундаментальных исследований. В частности, наблюдение «запрещенных» отражений, вызванных тепловыми колебаниями атомов, является аргументом в пользу справедливости адиабатического приближения, поскольку амплитуда резонансного рассеяния, в которой участвуют атомные электроны, отслеживает тепловые колебания атомов.

В моей работе была рассмотрена лишь малая часть видов «запрещенных» отражений, далеко не исчерпывающих всех возможностей в данной области. В настоящее время происходит процесс становления метода изучения «запрещенных» отражений в резонансной дифракции рентгеновского излучения как инструмента исследования структуры и локальных свойств кристаллов.