تحقیق روی فونون‌های سطحی با بیناب نمایی افت انرژی الكترون

در فیزیك مولكولی و فیزیك حالت جامد با مطالعه مدهای ارتعاشی اطلاعات دقیقی درباره ماهیت پیوند شیمیایی و جنبه‌های ظریف هندسه ساختاری به دست می‌آید. در طیف نمایی‌های ارتعاشی از درآشامی و پراكندگی ناكشسان فوتون‌ها، یا از كاوه‌های ذره‌ای نظیر نوترون، استفاده می‌شود.
به همین دلایل است كه حركت‌های ارتعاشی اتم‌ها در داخل سطح بلور یا مولكول‌های روی سطح بلور مطالعه می‌شوند. طیف نمایی‌های متعارف فقط در شرایط محدود عمل می‌كنند، زیرا استخراج یك علامت از تك لایه‌ای كه بر روی زمینه بزرگی از بلور قرار دارد بسیار مشكل است.
الكترون‌های با انرژی مناسب (1 تا 500 الكترون ولت) كاوه‌های سطحی پر توانی هستند، زیرا مسیر آزاد میانگین این الكترون‌ها در ماده به اندازه سه یا چهار برابر فاصله میان اتم‌هاست. الكترون‌ها از سطح پس – پراكنده می‌شوند و از این رو متضمن اطلاعاتی درباره آخرین لایه‌های اتم‌اند.
هنگام پس پراكندگی الكترون ممكن است یك كوانتوم ارتعاشی با بسامد ω_ν ایجاد شود و در این فرآیند، انرژی برابر با hω_ν از دست برود (كه در آن h ثابت پلانك است). اندازه‌گیری این افت انرژی كم، كه مستلزم داشتن باریكه‌های الكترونی كاملاً تك انرژی است، دستیابی به این بسامدهای ارتعاشی را فراهم می‌كند. در دو دهه اخیر، طیف نمایی افت انرژی الكترون به صورت یك كاوه پر توان ارتعاشات سطحی درآمده است، كه به خاطر گستره طیفی وسیعش قابل توجه است. با پیشرفت‌های تجربی و نظری جدید، اكنون می‌توان اطلاعات بسیار وسیع‌تری را از روی این داده‌ها به دست آورد.
بنا به روش متعارف، فقط افت انرژی الكترون‌هایی اندازه‌گیری می‌شود كه در فرآیند برانگیختگی ارتعاشی انحراف زاویه‌ای بسیار كمی پیدا می‌كنند. این رویدادها به واسطه میدان‌های كولنی بلند – برد حاصل از ارتعاشات سطحی شدت خاصی دارند. چنین الكترون‌هایی پس از بازتابش از سطح، نزدیك به امتداد آینه‌ای خارج می‌شوند و اگر انرژی اولیه آن‌ها نسبتاً كم – از یك تا 10 الكترون ولت – باشد شدیدترین افت انرژی را دارند. در این مد عمل، قاعده انتخاب فقط دستیابی به زیر مجموعه‌ای از مدهای ارتعاشی سطح را مجاز می‌دارد.
در رده جدیدی از آزمایش‌ها، الكترون‌هایی كه در رویداد افت انرژی تحت زاویه‌های بزرگ منحرف می‌شوند مطالعه شده‌اند. در این حالت امتداد خروج الكترون‌ها با هر یك از امتدادهای آینه‌ای یا امتدادهای باریكه براگ خیلی فاصله دارد. در این حالت قاعده انتخاب نزدیك به آینه‌ای نقض می‌شود و در اصل امكان دسترسی به طیف كامل مدهای ارتعاشی به وجود می‌آید. انتقال تكانه الكترون یك متغیر جدید است و بستگی بسامد مد ارتعاشی سطح (فوتون سطح) به طول موج را می‌توان از انتقال قله افت انرژی متناظر با انتقال تكانه نتیجه گرفت.
منحنی بستگی بسامد به طول موج منحنی پاشندگی نامیده می‌شود و ما اكنون توانسته‌ایم به منحنی‌های پاشندگی فونون‌های سطحی، به طور پیوسته، از طول موج‌های بلند تا كوتاه‌ترین طول موج مجاز، كه برابر با فاصله میان اتم‌هاست دسترسی پیدا كنیم.
اكنون مطالعه فونون‌های سطحی با بسامد بالا، وابسته به لایه‌های جذب شده، همراه با تأثیر مواد جذب شده روی فونون‌های سطحی زیر لایه، در مورد چند سیستم انجام شدهاست. طیف نمایی جدید مانسته سطحی آزمایش‌های پراكندگی ناكشسان نوترون است. این آزمایش‌ها محققاً كاوه پر توان ماده كپه‌ای‌اند.
عامل اصلی در موفقیت روش جدید كاربرد باریكه‌های با انرژی بالا، در گستره 100 تا 300 الكترون ولت است. این عمل یك شاهكار تجربی است كه در آن باریكه‌هایی تا به آن حد تك انرژی تولید می‌شوند كه می‌توانند افت‌های انرژی بسیار كم حاصل از برانگیختن ارتعاشی را آشكار كنند. در این ناحیه انرژی، با یك روش بسیار كمی، امكان محاسبه نظری تغییرات مقطع‌های برانگیزش فونون‌های سطحی در اثر تغییرات انرژی و زاویه، به ثبوت رسیده است. این محاسبات راهنمای انتخاب شرایط هندسی پراكندگی در جستجوی موفقیت آمیز فونون‌های سطحی است كه در نظریه پیشگویی شده‌اند ولی در داده‌های اولیه موجود نبوده است. همچنین معلوم شده است كه نظم تغییرات مقطع‌ها با انرژی و زاویه نسبت به وضع هندسی سطح حساس است و در نتیجه ما توانسته‌ایم وسیله جدیدی برای كاویدن همزمان دو موضوع نزدیك به هم یعنی ساختار سطح و دینامیك سطح، در اختیار داشته باشیم.
در سال‌های اخیر، باریكه‌های هلیوم خنثای كاملاً تك انرژی ایجاد شده‌اند و از این باریكه‌ها برای مطالعه فونون‌های سطحی به وسیله طیف نمایی افت انرژی استفاده شده است. فعلاً ما دو نوع طیف نمایی برای فونون‌های سطحی داریم كه مكمل یك دیگرند و برای نخستین بار به این مدها، كه سال‌ها توسط نظریه پردازان مطالعه شده‌اند، مستقیماً دسترسی پیدا كرده‌ایم.