Determination of electron phonon coupling from RIXS spectral intensity

I have worked on this thesis within the group of professor Giacomo Ghiringhelli, at the physics department of Politecnico di Milano, between the autumn of 2018 and the spring of 2019. The group has a long and consolidated tradition in synchrotron based spectroscopy, aimed at the study of magnetic and electronic properties of the materials. In the last twenty years, indeed, the activity of the group has been focused on X-rays emission spectroscopy, and in particular on the experimental technique denominated RIXS - Resonant Inelastic X-rays Scattering. The data obtained from it, possibly complemented with the ones obtained from other techniques (XAS, XLD, XMCD), allow us to study, and thus to characterize in energy and momentum, the material's excitations - which are direct and unequivocal manifestations of the atomic and electronic structure. Participating in both the technical and theoretical development of RIXS, the intensive work of the group have, since the beginning of the new millennium, paved the way to a new and more sharp understanding of matter's microscopic phenomena and dynamics, providing a new and complementary point of view (endued with many peculiarities) in the landscape of the already present experimental techniques (INS, Inelastic Neutron Scattering, most notably). Since 2009, more in particular, the group research has been focused on 3d transition-metal compounds, with greater emphasis on cuprates, exceptionally unique materials characterized by a quasi bidimensional structure (given by CuO2 layers), notable for being high temperature superconductors; and most importantly, puzzling (the true nature of high temperature superconductivity is nowadays still missing a coherent explanation) and suitable to be investigated through RIXS. My thesis can be placed in this contest - I will thus begin from a brief introduction on cuprates (paying particular attention to LCO and NBCO, and mentioning the most important characteristic of superconductors and strongly correlated systems), spending some words on the importance of phonons in the mechanism which is thought to be at the basis of high temperature superconductivity, to then dedicate a whole Chapter (the second one) to the RIXS technique, with a focus on theoretical and technical aspects, and incorporating some practical consideration. The third Chapter is the main body of the thesis: it is devoted to the phononic dynamics which can be characterized through a RIXS investigation. In first place, the theory is shown (following the tracks already given by the literature), and then RIXS spectra are simulated, accounting for the premises and for the assumptions - given the phononic excitations in the sample, those spectra are what we expect as a result from a RIXS experiment. Finally, the last chapter is an analysis of the results obtained during the experiment that we carried out at ESRF on the beamline ID32. Particular emphasis is given on the analysis method - this is a predominant aspect in RIXS technique, more than in othes experimental techniques.

Ho lavorato alla presente tesi all'interno del gruppo di ricerca guidato dal professor Giacomo Ghiringhelli, presso il dipartimento di fisica del Politecnico di Milano, a cavallo tra l'autunno del 2018 e la primavera del 2019. Il gruppo possiede una lunga e consolidata tradizione nell'ambito della spettroscopia realizzata attraverso radiazione di sincrotrone e finalizzata allo studio delle proprietà magnetiche ed elettroniche della materia. Negli ultimi venti anni, infatti, l'attività del gruppo è ruotata attorno alla spettroscopia d'emissione di raggi X, ed in particolare alla tecnica sperimentale che prende il nome di RIXS - Resonant Inelastic X-rays Scattering. I dati da questa ottenuti, eventualmente integrati con quelli di altre tecniche affini e complementari (XAS, XLD, XMCD), permettono di studiare, quindi di caratterizzare in termini di vettor d'onda ed energia, le eccitazioni del materiale - manifestazioni dirette ed univoche della struttura atomica ed elettronica. Contribuendo allo sviluppo tecnico tanto quanto a quello teorico del RIXS, l'intenso lavoro del gruppo ha, a partire dal nuovo millennio, aperto la strada ad una nuova e più fine comprensione di fenomeni e dinamiche microscopiche della materia, offrendo a tutti gli effeti un nuovo punto di vista complementare (e per molti versi peculiare) nel panorama delle tecniche sperimentali fino ad allora presenti (INS, Inelastic Neutron Scattering, su tutte). A partire dal 2009, inoltre, la ricerca del gruppo si è concentrata attorno ai metalli di transizione 3d, con particolare enfasi per quanto riguarda i cuprati, materiali estremamente singolari caratterizzati da una struttura quasi bidimensionale (relativamente ai piani CuO2 in essi presenti), rimarchevoli per essere superconduttori ad alta temperatura; più di ogni altra cosa, però, ancora enigmatici (la vera natura della superconduttività ad alte temperature non trova a tutt'oggi una spiegazione convincente) ed adatti ad essere studiati attraverso la RIXS. In questo ambito si inserisce la mia tesi - incomincerò quindi da una breve introduzione riguardo i cuprati (approfondendone due in particolare, LCO e NBCO, e spendendo prima qualche parola sui superconduttori in generale e sui sistemi fortemente correlati), soffermandomi quindi sull'importanza dei fononi all'interno del meccanismo che si pensa regoli la superconduttività ad alte temperature, per poi dedicare un intero capitolo al RIXS, approfondendone aspetti teorici e tecnici quanto basta ed aggiungendo considerazioni di stampo prettamente pratico. Il terzo capitolo rappresenta il corpo principale del mio lavoro: interamente dedicato alle dinamiche fononiche caratterizzabili attraverso il RIXS, ne si affronta prima la teoria (seguendo le tracce già date dalla letteratura), passando poi alla simulazione di quelli che, date le dovute premesse e approsimazioni, dovrebbero essere gli spettri RIXS associabili alle diverse eccitazioni fononiche presenti nei materiali. Infine, l'ultimo capitolo è un'analisi dei risultati ottenuti durante l'esperimento condotto a ESRF sulla beamline ID32. Perticolare enfasi è posta sul metodo con cui le analisi sono condotte - aspetto preponderante nell'ambito del RIXS più di quanto lo sia in altre tecniche sperimentali.