同步辐射红外光源及其应用

1000cm-1 (10um)
100cm-1 (100um)
Edge radiation
sudden change of the longitudinal velocity when particle enter or exit a magnetic element
第四届同步辐射soft x-ray 和VUV技术应用会议 贵阳 2006.8
生命科学应用－单细胞红外成像
LURE 和 NSLS 首是首次利用同步辐射红外显微开展的单活细胞 (鼠UN2.C3)显微成像的工作，研究了其胞分裂和死亡过程中蛋白 质和脂类的分布。这项开创性的工作说明同步辐射红外显微可以 揭示更多的、重要的新信息，为深入研究单细胞提供帮助。
生命科学应用－头发红外显微成像
Coherent Radiation
2 2 ˆ ˆ(ω ) N + N f (ω ) P(ω ) = e 2
long bunch (σz > λ)
Incoherent
Coherent coherent
short bunch (σz < λ)
BESSYII
The first stable state was observed and the first successful application storage ring for coherent Thz radiation
红外波谱
红外光谱－历史
红外光谱－历史
1976 1985 1985 1987 1995 1995 2001 2002 First observation of IRSR (Stevenson, Lagarde) First IRSR spectrum (Berlin) First beamline at UVSOR (Nanba) Beamline with users at Brookhaven (Williams) First int. workshop on IRSR, Rome. Observation of edge radiation, Madison. First beamline exploiting edge radiation, Karlsruhe Emission from coherent bunch modes, Berlin (Schade)
Worldwide Synchrotron Facilities for Infrared
SRC UW ALS LBL
NSRL
NSLS BNL
CAMD LSU
同步辐射红外的特点 ：
全谱段高亮度 远红外和THz波段更高的强度 时间结构
“Throughpห้องสมุดไป่ตู้t
衍射限制的显微 • 更高的空间分辨率 • 更好的信噪比 • 更短的采集时间
Infrared
Lower aperture (field stop) Detector Lower focusing mirror
目前线站能力
64x64焦平面阵列探测器
同步辐射和常规光源比较：
不同狭缝下中红外显微的比较
100
ISR/IBB
10
10x10um 169mA 20x20um 165mA 40x40um 176mA
生命科学应用－头发红外显微成像
生命科学应用－皮肤红外显微成像
表皮 真皮
凝聚态科学应用
固体的光学性质
凝聚态科学应用－红外波段丰富的物理现象
复杂体系的光学性质－高温超导体
1. Looking for new materials • 1986: High-Tc cuprates • 1990: C60 fullerene • 2000: MgB2 • 2003: NaxCoO2·3H2O • 2004: B-doped diamond • 2008: Fe-based 2. Understanding new materials Infrared spectroscopy plays a role... P.W. Anderson (1991): “Two smoking guns” for High-Tc Superconductivity: “Angle-resolved photoemission … and absorption of c-axis polarized infrared”
P. Postorino et al. Phys. Rev. Lett. 96, 3, 035503 (2006).
THz Gap 和 THz 科学机遇
电磁波谱中具有最丰富的科学现象，但却没有充分利用的波段
THz gap
“Much brighter terahertz beams are required for scientific and technological applications ... Large average and peak powers could be used to manipulate and alter materials, chemical reactions and biological processes.” -Mark Sherwin, Nature News & Views 520, 131 (2002).
Log Flux
incoherent
CIRCE (BERKELEY)
Log Frequency
第四届同步辐射soft x-ray 和VUV技术应用会议 贵阳 2006.8
同步辐射红外光束线
Extraction optics: collect large solid angle
Very high heat load caused by the higher energy part
高介电系数材料的光学响应
微电子产业要求：体积更小、速度更快、功耗更低 对于随机存储器件，材料的静态介电系数直接决定了器件的 小型化远红外光学响应测量可以帮助揭示材料介电效应的物 理机制
高压研究
Investigations of the Metal-Insulator transitions in La (1-x) Ca x MnO3
Others: Windows, Vacuum …
第五届soft x-ray 和VUV技术应用会议 昆明 2008.8
Beamline layout
M1=extracting mirror M2= Toroid M3=Toroid M4=Flat M5=Flat M6 =Flat M7= Flat M8= Toroid
生命科学应用－单细胞红外成像
常规光源低的亮度限制了其空间分辨率(通常>15um)，其研究也被限制在生物组织层 次，而单个生物细胞的直径通常在 5－30um，因此利用常规光源来研究非常困难。 而同步辐射光源在亮度方面的优势大大提高了红外显微的空间分辨率，虽然人们近些 年才意识到这种优势并开展这方面的研究，但是发展非常快。利用高分辨的同步辐射 红外显微能够在亚细胞分辨率的层次对单个细胞进行化学成分进行成像。
Transport optics:
Focus system must focus this deep, curved ,diverging source onto a spot suitable for the experiments Source size:Electron beam size+Diffraction-limited size +Geometrical broadening λ σx σy projection of the source arc σ r (λ ) = 4πσψ (λ ) of length (source depth) on the xy plane In this region the transmittance of the IR beamline decreases due to diffraction losses resulting from the finite size of the optical elements Coupling between beamline and interferometer
0.1 7000
wavenumber (cm-1)
THz波段强度比较
100
ISR/IBB
10
1
15 20 25 30 35 40
-1
45
50
55
Wavenumber (cm )
同步辐射红外谱学的应用和发展方向
衍射极限分辨的显微成像
生命科学和疾病早期诊断：单细胞的显微成像，组织的显微成像 地质学：流体包裹体显微成像
同步辐射红外光源及其应用
红外波谱
IR units: wavenumbers (cm-1), 10 micron wavelength = 1000 cm-1 1 eV ~ 8100 cm-1 1 THz ~33 cm-1 300 Kelvin ~210 cm-1
The Infrared Part of the EM Spectrum Near-IR: 4000 – 14000 cm-1 Mid-IR: 500 – 4000 cm-1 Far-IR: 5 – 500 cm-1 IR covers ~ 1 meV to 1 eV
第五届soft x-ray 和VUV技术应用会议 昆明 2008.8
傅立叶变换红外光谱
红外显微成像
Upper focusing mirror Upper aperture (field stop) Schwarzschild “objective” x-y Sample stage Interferometer Schwarzschild “condenser”
1
60x60um 158mA 100x100um 172mA
6000 5000 4000 3000 2000 1000
Bruker 66v/s 红外光谱仪 液氦冷却 4.2 K Si Bolometer远红外 探测器 10 cm-1- 600 cm-1
Bruker Hypersion 3000 红外显微镜
limited”测量！！！
极端条件下的谱学 • 高压 • 低温和强磁场
受限制的入射角 • 掠入射 • 衰减全反射（ATR） • 椭偏光谱
高谱学分辨率 • 更好的信噪比
SRIR source
Constant field of Bending magnet
θ nat λ 13 = 1.66188( ) ρ
极端条件下远红外和THz谱学
复杂体系的低能电动力学：高温超导体，磁性，介电材料… 生物分子的结构：集体运动模式 ……
生命科学应用
生命科学应用
蛋白质
脂类
核酸
糖类
生命科学应用
胶原
肌红蛋白
β-淀粉样蛋白
细胞色素
生命科学应用
疯痒病
生命科学应用
利用同步辐射红外显微的高亮度可 以准确的研究老年病中这种很小的 病变区域，获得病理的信息。
T>Tc(~80K), 正常态，C轴反射谱显示类似绝缘体特性 T<Tc, 超导态，Josephson振荡
二维电子气－石墨烯graphene
独特的物理和电学性质
高的电导率
弹道电子输运
～1um没有散射

量子霍耳效应
微电子领域极有潜力的材料
单原子厚度的晶体管？
石墨烯graphene中的Dirac电动力学
Cuprates: anisotropic reflectivity
“The point is that interesting features in the c-axis response are in VERY far infrared < 50 cm-1. We pushed conventional sources to the limit to get this data. Synchrotrons may help to advance to even lower energies.” -Prof. Dimitri Basov, UCSD
石墨烯中载流子具有线型能量－动量色散，其行为类似相对论 Dirac 准粒子，导致如反常量子霍耳效应和相对论隧道效应等吸引人 的新物理。最近，美国加州大学利用ALS的同步辐射红外显微光谱对 于石墨烯晶体管的Dirac电荷动力学进行了研究，结果显示了电子和 蜂窝状晶格间、电子间的多体相互作用，获得了一些不同于理想石墨 烯理论预测的出人意料的结果。