X線ラマン散乱

X 線ラマン散乱(XRS)は、コア電子からのX 線の非共鳴非弾性散乱です。これは、光学分光法で広く使用されているツールである振動ラマン散乱に類似していますが、励起光子の波長が X 線領域にあり、対応する励起が深部コア電子から発生するという点が異なります。

XRSは、物質の電子構造を研究するための元素固有の分光ツールです。特に、サンプル中の原子種の励起状態密度（DOS）を調べます。 ^[1]

XRS は非弾性X 線散乱プロセスであり、高エネルギー X 線光子がコア電子にエネルギーを与え、非占有状態に励起します。このプロセスは原理的にはX 線吸収(XAS) に類似していますが、エネルギー移動は、 X 線吸収で吸収されたX 線光子エネルギーの役割を果たします。これは、光学におけるラマン散乱とまったく同じで、分子から散乱された光のスペクトルを調べることで、振動の低エネルギー励起を観察できます。

プローブX線のエネルギー（したがって波長）は自由に選択でき、通常は硬X線領域にあるため、物質の電子構造の研究における軟X線の特定の制約が克服されます。たとえば、軟X線研究は表面に敏感である場合があり、真空環境が必要です。これにより、多数の液体など、多くの物質の研究は軟X線吸収では不可能になります。X線ラマン散乱が軟X線吸収よりも優れている最も注目すべき用途の1つは、高圧下での軟X線吸収端の研究です。高エネルギーX線はダイヤモンドアンビルセルなどの高圧装置を通過してセル内のサンプルに到達しますが、軟X線はセル自体に吸収されます。

チャンドラセカラ・ヴェンカタ・ラマン卿は、新しいタイプの散乱を発見したという報告の中で、同様の効果がX線領域でも見つかるはずだと提唱した。同じ頃、バーゲン・デイビスとダナ・ミッチェルは1928年にグラファイトからの散乱放射線の微細構造について報告し、炭素のK殻エネルギーと一致すると思われる線があることを指摘した。^[2] 1920年代後半から1930年代前半にかけて、数人の研究者が同様の実験を試みたものの、結果は必ずしも確認できなかった。XRS効果の最初の明確な観察は、K・ダス・グプタ（1959年に発見を報告）とタダス・スズキ（1964年に報告）によるものとされることが多い。固体中のXRSピークは固体効果によって広がり、XASスペクトルに似た形状のバンドとして現れることがすぐに認識された。この技術の可能性は、現代のシンクロトロン光源が利用可能になるまでは限られていた。これは、入射光子の XRS 確率が非常に小さいため、非常に高い強度の放射線が必要になるためです。今日、XRS 技術は急速に重要性を増しています。これらの技術は、近端 X 線吸収微細構造(NEXAFS または XANES) や拡張 X 線吸収微細構造(EXAFS)の研究に使用できます。

XRSは非共鳴非弾性X線散乱のクラスに属し、その断面積は

${\displaystyle {d^{2}\sigma \over d\Omega dE}=\left({d\sigma \over d\Omega }\right)_{\rm {Th}}\times S(q,E)}$。

ここで、はトムソン断面積であり、これは散乱が電子からの電磁波の散乱であることを意味します。研究対象のシステムの物理特性は、運動量移動とエネルギー移動の関数である動的構造因子に埋め込まれています。動的構造因子には、XRS で観測されるコア電子励起だけでなく、プラズモン、価電子の集団的変動、コンプトン散乱など、 すべての非共鳴電子励起が含まれます。${\displaystyle (d\sigma /d\Omega )_{\rm {Th}}}$ ${\displaystyle S(q,E)}$${\displaystyle q}$${\displaystyle E}$

1967 年に水野幸雄と大村義弘によって、小さな運動量移動では、動的構造因子の XRS 寄与が X 線吸収スペクトルに比例することが示されました。主な違いは、XAS では光の偏光ベクトルが吸収電子の運動量に結合するのに対し、XRS では入射光子の運動量が電子の電荷に結合することです。このため、XRS の運動量移動は XAS の光子偏光の役割を果たします。 ${\displaystyle q}$

• X線散乱技術
• 共鳴非弾性X線散乱（RIXS）