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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS – UNICAMP
RELATÓRIO FINAL
“Lâmina de ¼ de onda de raios X
para dicroísmo magnético”
eduardohtp x(arroba)x gmail.com
Eduardo Henrique de Toledo Poldi
F 590 A – Iniciação Científica I
RA: 155216
Orientador: Dr. Narcizo Marques Souza Neto
Laboratório Nacional de Luz Síncrotron – LNLS
Campinas, Junho de 2015
1. INTRODUÇÃO
Para esse primeiro semestre, seguindo o cronograma do projeto, o
programado previa estudar as técnicas de dicroísmo magnético e detalhes da
instrumentação para medidas usando lâmina ¼ de onda no modo síncrono,
especificar e detalhar desenhos técnicos para a montagem experimental a ser
usada em combinação com o ímã supercondutor de 6 Tesla, além de acompanhar
os primeiros experimentos de dicroísmo magnético nas linhas de luz do Laboratório
Nacional de Luz Síncrotron usando o arranjo experimental hoje disponível.
Assim, a maior parte do tempo da primeira metade do semestre foi dedicada
aos estudos das técnicas de dicroísmo magnético, absorção de raios X (XAS),
modos dispersivos e de Turbo XAS, bem como de seu arranjo experimental. Esta é,
portanto, a razão de seguir abaixo um detalhamento dos conhecimentos adquiridos
a partir da leitura de novas referências, já que o tempo para isso dedicado também
foi necessário para a futura compra dos materiais a serem utilizados na montagem
experimental para a continuação do projeto.
Depois de estudadas essas novas referências, as etapas subsequentes
consistiram em aprofundar na teoria e no desenho do arranjo experimental além de
acompanhar alguns experimentos, conforme a disponibilidade da linha de luz.
2. REVISÃO BILIOGRÁFICA
Este projeto está sendo desenvolvido no Laboratório Nacional de Luz
Síncrotron – LNLS –, e fazendo a união de várias técnicas e tecnologias que foram
desenvolvidas desde a década de 1990. Visando montar um arranjo experimental
que seja mais eficiente do que o utilizado atualmente para se fazer experimentos de
dicroísmo circular magnético de raios x, a intenção é que este seja utilizado tanto na
atual fonte de luz síncrotron, UVX, quanto na que está em construção, o Sirius.
I. Luz Síncrotron
Primeiramente, devese entender o porquê de a luz síncrotron ser tão
importante para os experimentos de absorção de raios X, bem como do
funcionamento das principais técnicas de absorção utilizadas atualmente.
A luz síncrotron é obtida da deflexão de partículas aceleradas a velocidade
relativística por campos magnéticos. Esta possui amplo e contínuo espectro de
energia e, no plano da órbita, alta taxa de polarização – como a radiação síncrotron
é composta por ondas eletromagnéticas, o termo polarização é utilizado para se
referir à direção da componente elétrica da onda, que é ortogonal à magnética.
Dizse que certa radiação possui polarização linear vertical, por exemplo, quando o
vetor da sua componente elétrica se encontra no plano vertical.
Essas partículas são armazenadas numa órbita fechada, dito anel de
armazenamento, dentro de um sistema de ultraaltovácuo, e os fótons são emitidos
na direção tangencial da trajetória, praticamente colimada e com alta intensidade no
plano da órbita, conforme mostrado na Figura 1.
Figura 1 "A luz emitida pela deflexão do feixe nos dipolos é emitida na
direção tangencial à trajetória descrita pelas partículas, formando um leque."
Retirada de [1].
II. Técnicas de Absorção de Raios X
Essa radiação é comumente utilizada para medidas de absorção de raios X
por diferentes materiais, pois então são fornecidas informações sobre a estrutura
eletrônica, geométrica e magnética de determinada amostra.
Uma dessas técnicas é a espectroscopia de absorção de raios X (do inglês,
XAS: Xray Absorption Spectroscopy), cuja principal característica é a seletividade
química. Ela fornece a quantidade de fótons absorvida pelos materiais, por meio de
espectros de absorção – gráficos de tal absorção em função da energia dos fótons.
Nesse espectro podese destacar duas regiões: a próxima à borda de absorção
(XANES: Xray Absorption Near Edge Structure), onde se fornece fótons de energia
suficiente para excitar um elétron para outra camada, gerando um fotoelétron e a da
estrutura fina oscilatória estendida (EXAFS: Extended Xray Absorption Fine
Structure), que mostra as oscilações devidas à interferência entre a função de onda
do fotoelétron criado com seu retroespalhamento nos elétrons de átomos vizinhos,
fornecendo informações de ordem estrutural.
Figura 2 Espectro de absorção. Note a região de XANES, próxima à borda
de absorção, e a de EXAFS, obtida do retro espalhamento do fotoelétron em
seus átomos vizinhos. Figura retirada da referência [5].
Outra técnica bastante utilizada é a de dicroísmo circular magnético de raios
X (XMCD: Xray Magnetic Circular Dichroism), com a qual podese sondar materiais
com anisotropia magnética, ou seja, que absorvem de diferentes maneiras a luz
polarizada circularmente à direita e à esquerda, fornecendo informações sobre o
momento magnético da amostra. Vale notar que a técnica de XMCD é a única que
permite seletividade química do magnetismo.
Figura 3 Espectro de XMCD (em azul) resultado da diferença dos espectros
de absorção para ora luz polarizada à direita (curva preta), ora à esquerda
(curva vermelha). Figura retirada de [6].
Para fazer experimentos de XMCD, portanto, o que está relacionado ao
objetivo deste projeto, devese possuir luz circularmente polarizada – ora à direita,
ora à esquerda, para que seja feita a subtração entre os espectros obtidos, de modo
que se tenha o sinal de XMCD –, ou seja, o campo elétrico da radiação precisa ter
vetor com componentes em ambos os eixos, e , uma defasada em em σ π /2π
relação à outra, e que estas possuam amplitudes iguais.
III. Lâmina de ¼ de onda
Como comentado anteriormente, a luz síncrotron possui alta taxa de
polarização linear no plano da órbita. Neste caso, em que será tratada apenas a luz
síncrotron proveniente da deflexão por dipolos, essa polarização é linear horizontal.
Fora deste plano, tanto acima como abaixo, encontrase luz circularmente
polarizada, e quanto mais se distancia dele, maior a taxa de polarização circular,
mas menor a intensidade dos fótons, já que o feixe é praticamente todo colimado no
plano da órbita.
Atualmente, é seguindo essa ideia que são realizadas as medidas de XMCD:
com uma TAXA DE POLARIZAÇÃO CIRCULAR DE 70% E APENAS 1/3 DA
INTENSIDADE DO FEIXE, não sendo o melhor arranjo experimental possível.
Nas linhas de luz, que são as estações experimentais de um anel de
armazenamento, portanto, podese montar um dispositivo experimental de modo a
otimizar esses números, utilizando uma lâmina de ¼ de onda de raios X. Essa
lâmina é também conhecida como Phase Retarder ou Phase Plate e feita de
material birrefringente. Neste projeto, a lâmina é de diamante. Materiais
birrefringentes são aqueles que, quando o atravessados pelo feixe de fótons, se as
componentes e do vetor do campo elétrico da luz, e , forem diferentes σ π K σ Kπ
ao passar pelo diamante, ao sair deles, a diferença das componentes é dada por
, onde t é a espessura da lâmina. A taxa de polarização circular,πδ = 2 K – K | σ π| t
enfim, é , com e sendo as amplitude das componentes e senδP c = 2A Aσ πA + A2σ
2π
Aσ Aπ σ π
respectivamente.
Figura 4 Representação da lâmina de ¼ de onda. Veja o texto para mais
detalhes. Retirada de [9].
O Phase Retarder, porém, é apenas um dos elementos que, combinados,
farão desse projeto único. Também nos utilizamos da ótica dispersiva, do método de
medição TurboXAS (TXAS), e do modo síncrono, que serão detalhados a seguir.
IV. TurboXAS
Primeiramente, convém aqui enunciar a Lei de Bragg, a qual afirma que, para
que ocorra difração de raios X num cristal, é necessário que a diferença entre os
caminhos percorridos pelas ondas incidentes, formando ambas um ângulo com a θ
horizontal, em dois planos cristalinos paralelos espaçados de uma distância , seja d
um múltiplo inteiro de seu comprimento de onda . Com algumas operações λ
algébricas simples, chegase facilmente a .d senθ nλ2 =
Na linha dispersiva de luz do LNLS, DXAS (do inglês, Dispersive Xray
Absorption Spectroscopy), o monocromador utilizado é dispersivo, também
chamado de policromador – como a luz proveniente da fonte síncrotron possui todos
os comprimentos de onda , um monocromador é o equipamento responsável λ
monocromatizar o feixe, ou seja, selecionar determinado , implicando num valor de λ
energia fixo a ser trabalhado na amostra, já que (com h sendo a E c/λE = h
constante de Planck, e c a velocidade da luz). Um monocromador dispersivo,
entretanto, é um cristal de curvatura ajustável no qual incide o feixe e o focaliza em
um único ponto. Como o espelho é curvo, cada ponto em que os fótons incidem
neste possuirá determinado , implicando, pela Lei de Bragg, em valores de θ λ
diferentes no decorrer do espelho. Portanto, serão gerados diferentes , fazendo E
com que o policromador focalize todas as energias possíveis da linha neste único
ponto. Esta linha de luz compreende fótons de energia na faixa de 5 a 20keV,
possibilitando luz síncrotron de comprimentos de onda entre 0,06 e 0,25nm.
Figura 5 Linha dispersiva (DXAS) do LNLS, com p, q e b sendo as
distâncias, respectivamente, da fonte ao monocromador, do monocromador à
amostra (foco) e da amostra à CCD. Observe que um conjunto de fendas
colima o feixe branco (raios X com todos os comprimentos de onda e todas as
energias), para depois passar por um espelho que o focaliza na vertical, para
somente então difratar no monocromador. Retirada da referência [7].
Medidas em ótica dispersiva convencional, porém, possuem suas
desvantagens. Esse projeto prevê o método de Turbo XAS, que também pode ser
realizado na linha dispersiva do LNLS, em substituição. Apesar de ambos os
métodos apresentarem foco pequeno e estável, e a óptica da linha ser mantida fixa
(o policromador não precisa ser movido), a escolha de TXAS se deve ao fato de
serem possíveis as medidas da intensidade inicial e final de fótons I0 I1
concomitantemente (colocando uma câmara de ionização antes e outra depois da
amostra), o que não é possível em DXAS. Fendas também são utilizadas, entre o
monocromador e a amostra, que varrem todo o espectro de energia, separando um
feixe monocromático por vez. No arranjo dispersivo convencional, já que não há
fendas, todo o intervalo de energia é medido num único espectro de absorção; e o
valor de é obtido por uma câmara de ionização depois da amostra, enquanto, I1
para o de , retiramos a amostra e medimos a intensidade na mesma câmara de I0
ionização.
Figura 6 Arranjo experimental para medidas no modo TXAS, com p, q e d
sendo as distâncias, respectivamente, da fonte ao monocromador, do
monocromador à amostra (foco I do policromador) e da fenda à amostra. M1 e
M2 são espelhos responsáveis, nessa ordem, por focalizar verticalmente e
causar alguma dispersão horizontal o feixe. S é a “fonte virtual” de fótons,
foco de M2. e são as câmaras de ionização que medem essas I 0 I 1
intensidades e a PSD (Detector Sensível à Posição, do inglês, Position
Sensitive Detector) representa a CCD acoplada à tela cintiladora. Veja o texto
para maiores detalhes. Figura retirada de [2].
Esses valores de e se relacionam pela fórmula , com sendo I0 I1 I I e 1 = 0−μt μ
o coeficiente de absorção, e, novamente, sendo a espessura da amostra. As t
intensidades foram obtidas por transmissão, já que o feixe atravessou as câmaras
de ionização, e a detecção se dá por meio de um Dispositivo de Carga Acoplada
(CCD: Charge Coupled Device) associado a uma tela cintiladora, para que esses
fótons incidam no cintilador, e emitam luz no espectro visível).
Figura 7 Decaimento exponencial da intensidade do feixe com o aumento da
espessura da amostra: . Figura retirada da referência [5].I I e = 0−μt
V. Modo Síncrono
O modo síncrono, ou, no inglês, lockin, é um modo que permite que seja
feita a medição de ambas as helicidades – tanto da luz polarizada à direita, quanto
da à esquerda – numa só medida, fornecendo a diferença entre eles ao final, ou
seja, o sinal de dicroísmo magnético. Isso é obtido ao se acoplar um piezoatuador
(piezoelétrico é o material que se comprime ou expande ao experimentar uma
diferença de potencial) a um gerador de onda quadrada, que fornecerá uma
voltagem para o piezo, de modo que haja um offset de poucos arcosegundos em
torno do pico de Bragg do diamante, fazendo oscilar o Phase Retarder, posições
onde se consegue máxima polarização circular à direita ou à esquerda.
Figura 8 Arranjo experimental previsto no projeto. Medidas de XMCD nesse
modo irão viabilizar o uso de um magneto supercondutor de 6.5 T já existente
no LNLS. Veja o texto para mais detalhes.
A figura 8 esboça o arranjo experimental para medidas de XMCD em modo
síncrono, combinando ótica dispersiva com a lâmina de ¼ de onda, depois de todos
os equipamentos comparados e instalados. O ímã de 6,5T irá induzir a um estado
magnetizado amostras mais duras, ou menos ferromagnéticas.
Portanto, se o gerador de onda quadrada fizer isso numa velocidade muito
alta, a helicidade da luz será invertida numa frequência bastante considerável.
Varrendo todo o espectro de energia, com a fenda selecionando um determinado
comprimento de onda por vez, o sinal de XMCD pode ser obtido com muito maior
eficácia, com esse arranjo experimental resultante da combinação de vários outros,
do que o utilizado atualmente no LNLS, pois o método lockin funciona como um
filtro, descartando todos os ruídos de frequências diferentes da frequência da onda
quadrada que a lâmina está oscilando, selecionando apenas esta emitida pelo
gerador de onda.
Figura 9 Comparação entre os resultados dos métodos de medição
síncrono (linha vermelha) e nãosíncrono (linha preta).
3. ARRANJO FINAL
Algumas alterações foram feitas no arranjo experimental previsto no projeto.
Primeiramente, foram introduzidos dois estágios de rotação motorizados, swivels,
como mostra a figura 11, que permitem ao suporte da lâmina de diamante mais dois
modos de se movimentar.
Figura 10 Esquema do suporte das lâminas de diamante, com a câmara de
vácuo no exterior. Note que o ângulo de incidência dos raios X no Phase θ
Retarder é controlado pelo motor e que o ângulo do raio X difratado é , θ θ2
onde se localiza o fotodiodo.
Figura 11 Representação do interior da câmara de vácuo. Veja o texto para
mais detalhes.
Também foi alterado o suporte do Phase Retarder, com o objetivo de se
poder fazer mais medidas, com os diferentes níveis de energia, sem o incômodo de
ter que parar o experimento e trocar manualmente a lâmina de diamante por outra
de maior ou menor espessura. Isso deve favorecer à diminuição de erros, evitando
que seja necessário alinhar o feixe novamente.
Uma câmara manterá os motores e a lâmina de ¼ de onda sob vácuo. Depois
de o feixe difratar ao atravessar a lâmina, sairá da câmara de vácuo por uma janela
de berílio e a intensidade do raio X difratado será medida por um fotodiodo ao ar
livre.
Por fim, segue na figura 12 a representação final do suporte para o Phase
Retarder, a ser utilizado em conjunto com o magneto supercondutor de 6.5T, já
alocado na linha de luz.
Figura 12 Representação final do arranjo experimental da linha, com os
devidos ajustes que diferenciam esta da contida no projeto.
4. EVENTO DE CONSULTA À COMUNIDADE
Durante a apresentação de meu projeto no evento de consulta à comunidade,
houve dois professores interessados no assunto abordado pela minha iniciação
científica, além de outros dois alunos que também expuseram seus trabalhos no dia.
O contato com essas pessoas me auxiliou no sentido deixar mais claro, para esta
versão final de relatório, o diferencial do projeto, explicitando mais claramente como
são realizadas as medidas de XMCD atualmente no LNLS.
5. AGRADECIMENTOS
Agradecemos à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo
Fapesp pela bolsa.
6. REFERÊNCIAS
[1] Cezar, J. C., et al., Aplicação de Técnicas de Absorção de Raios X no Estudo
de Materiais Magnéticos. Revista Brasileira de Ensino de Física, 2000, 363.
(utilizada na obtenção de imagens do relatório e definições das características da
luz síncrotron)
[2] Pascarelli, S., et al., TurboXAS: dispersive XAS using sequential acquisition.
J. Synchrotron Rad. (1999). 6, 1044 1050. (utilizada na obtenção de imagens do
relatório e detalhamento do método de TurboXAS)
[3] Baruchel, J., et al., Neutron and Synchrotron Radiation For Condensed Matter
Studies. Capítulos I, XII e XV. (livro utilizado para fundamentação teórica nos
estudos de absorção de raios X e características da luz síncrotron)
[4] Jens AlsNielsen, Des McMorrow, Elements of Modern Xray Physics.
Capítulos I, II e VI. (livro utilizado para fundamentação teórica nos estudos de
absorção de raios X e características da luz síncrotron)
[5] Reis, R. D. dos, Efeitos da hibridização (4f,5f)/(5d,6d) no magnetismo de
compostos intermetálicos. (utilizada na obtenção de imagens do relatório e
informações sobre as técnicas de absorção de raios X)
[6] Site do ALS Advanced Light Source (U.S. Department of Energy Office of
Science): http://xraysweb.lbl.gov/peem2/webpage/Project/TutorialContrast.shtml
(somente utilizada para a retirada da figura 3)
[7] Cezar, J. C., et al., Energydispersive Xray absorption spectroscopy at LNLS:
investigation on strongly correlated metal oxides. J. Synchrotron Rad. (2010). 17,
93–102. (utilizada na obtenção de imagens do relatório e detalhes sobre a linha
dispersiva do LNLS)
[8] Tolentino, H. C. N., et al., Linear and circularly polarized light to study
anisotropy and resonant scattering in magnetic thin films. J. Synchrotron Rad.
(2005). 12, 168–176. (utilizada para detalhamento sobre a linha dispersiva do LNLS)
[9] Hirano, K., et al., An XRay Phase Plate Using BraggCase Diffraction.
Japanese Journal of Applied Physics (1991), 30, 407–410. (referência utilizada na
obtenção de imagens do relatório e informações sobre a lâmina de ¼ de onda)
[10] Hirano, K., et al., Switching of Photon Helicities, in the Hard Xray Region with
a Perfect Crytal Phase Retarder. Japanese Journal of Applied Physics (1992), 31,
1209–1211. (utilizada na obtenção de informações sobre a lâmina de ¼ de onda)
[11] Hirano, K., et al., TransmissionType XRay Phase Retarder Using Ge Crystal
in Laue Difraction Geometry. Japanese Journal of Applied Physics (1994), 33,
689–692. (referência utilizada na obtenção e informações sobre a lâmina de ¼ de
onda)
[12] Lang, J. C., et al., Bragg transmission phase plates for the production of
circularly polarized x rays. Rev. Sci. Instrum., (1995), 66, 1540–1542. (referência de
onde foram retirados detalhes sobre a montagem de experimentos nos quais um
Phase Retarder faz parte do arranjo)
[13] Boada, R., et al., Xray magnetic circular dichroism measurements using an
Xray phase retarder on the BM25 ASpLine beamline at the ESRF. J. Synchrotron
Rad. (2010). 17, 308–313. (utilizada para o conhecimento da técnica de XMCD em
conjunto da lâmina de ¼ de onda utilizada no ESRF)
[14] Pascarelli, S., et al., Energydispersive absorption spectroscopy for
hardXray microXAS applications. J. Synchrotron Rad. (2006). 13, 351–358.
(utilizada para o conhecimento das técnicas de XAS dispersivas na faixa de raios X
duros)
[15] C. Giles et al., Tunable Xray quarterwave plates for Xray magnetic circular
dichroism experiments with the energy dispersive absorption spectrometer. Physica
B 208&209 (1995) 784786 (referência utilizada para o conhecimento da técnica de
XMCD no modo dispersivo em conjunto da lâmina de ¼ de onda)
[16] C. Giles et al., EnergyDispersive Phase Plate for Magnetic Circular Dichroism
Experiments in the Xray Range. J. Appl. Cryst. (1994). 27, 232240.(referência
utilizada para o conhecimento da técnica de XMCD no modo dispersivo em conjunto
da lâmina de ¼ de onda)
[17] Suzuki, M., et al., Polarization control of an Xray freeelectron laser with a
diamond phase retarder. J. Synchrotron Rad. (2014). 21. (referência na qual foram
baseados os últimos ajustes no arranjo experimental previsto em projeto)
7. OPINIÃO DO ORIENTADOR
Meu orientador concorda com o expressado neste relatório final e deu a
seguinte opinião:
Eduardo teve uma ótima dedicação ao trabalho de iniciação científica nesse
inicio do trabalho. Ele estudou bastante toda a literatura e se focou em estudar os
conceitos básicos necessários para o desenvolvimento do trabalho. Isso é
demonstrado no excelente relatório apresentado que ele descreve com as suas
próprias palavras de forma sucinta o conhecimento adquirido até aqui. Eduardo
demonstra um aprendizado rápido e é sempre curioso para todas as novas
questões que lhe aparecem além de ter iniciativa para procurar as respostas,
qualidades essenciais para um jovem e promissor profissional na área de física. As
próximas etapas envolvem aprofundar na teoria e no desenho do arranjo
experimental além de acompanhar alguns experimentos, dependendo da
disponibilidade da linha de luz para isso.
8. COMENTÁRIOS DO COORDENADOR
Sobre o RP: “troque o termo "setup" por arranjo, ou dispositivo. E, sobretudo,
indique o comprimento de onda”.