another snapshot of recent research activities at the canadian light

FOREWORD
ANOTHER SNAPSHOT OF RECENT RESEARCH ACTIVITIES
AT THE CANADIAN LIGHT SOURCE
n volume 67(1) (2011) of Physics in Canada1, you
were introduced to the Canadian Light Source
(CLS) as a national facility and to its capabilities.
You were also presented with a set of experiments
conducted at the time at the CLS facility. This second
special issue on research undertaken at the Canadian
Light Source (CLS) documents some of the recent
discoveries and progress made using four more beam
lines at Canada’s national synchrotron facility.
I
The scientific articles featured here are representative of
the Canadian Light Source’s key research areas: Earth and
Environmental Science, Life Science, Chemical and
Materials Science, as well as being representative of
advancements in synchrotron-based techniques and instrumentation. Their scientific investigations are affecting
developments and adding knowledge for improving
biomedical imaging, advanced materials, the study of
fossils, photoemission spectroscopy studies. Moreover,
these are a just a small fraction of the science that
Canada’s national synchrotron facility facilitates.
imaging applications. The article describing the recent
research results of a team lead by Dr. Dean Chapman
from University of Saskatchewan on “X-Ray Optics
Development for Biomedical Imaging Applications at
the Canadian Light Source” touches on this topic.
The synchrotron-based resonant elastic soft X-ray scattering (RSXS) offers a unique element, site, and valence
specific probe to study spatial modulations of charge,
spin, and orbital degrees of freedom in solids on the
nanoscopic length scale. This method also enables
researchers to examine electronic ordering phenomena
in thin films and to zoom into electronic properties
emerging at buried interfaces in artificial heterostructures.
The paper “Resonant Elastic X-Ray Scattering in Cuprate
Superconductors” by Drs. David G. Hawthorn and
Andrew J. Achkar discusses how the technique of
resonant elastic soft X-ray scattering is applied to the
investigation of charge density wave order parameters in
cuprate high temperature superconductors.
Using powerful X-rays at the CLS, scientists have
developed X-ray optical instrumentation programs in
support of biomedical imaging research. A few examples
are discussed in this special issue. In the case of a multiple
energy imaging technique, projection measurements are
made at different parts of the X-ray energy spectrum.
These measurements are processed to obtain image data
relevant to biomedical research. Scientists have also
developed variants of coded aperture imaging, a technique
that also benefits from the high-energy radiation of the
X-rays. By blocking and unblocking light in a known
pattern, a coded “shadow” is cast upon a plane of
detectors. Using computer algorithms, properties of the
original light source can be deduced from the shadow on
the detectors. The Talbot interferometry X-ray imaging
system is more sensitive than common absorption imaging. This technique is sensitive to slight variations in the
density of matter and can be useful for phase-contrast
Paleontologists are among the users of X-ray synchrotron
imaging techniques at the Canadian Light Source. Studies
of the external morphological characteristics of a fossil
organism are not sufficient to extract all the information
for a paleontological study. Nowadays observations of
internal structures become increasingly important, but
these observations should be non-destructive in order to
preserve the important specimens. Thanks to different
properties and imaging techniques, using a synchrotron
radiation source appears as an almost ideal investigation
tool for paleontology. The “Synchrotron Radiation as a
Tool in Paleontology” paper, submitted for publication in
the special issue by Dr. Mauricio Barbi and his collaborators, shows how synchrotron radiation can be used to
study the chemistry of dinosaur bones from the Late
Cretaceous period, in order to gain a better understanding
of the diets and environments of dinosaurs. Using the CLS
facilities, scientists are essentially trying to travel back in
time to understand the lives of dinosaurs.
1. Volume 67(1) (2011) of Physics in Canada is available online at
http://www.cap.ca/en/publications/physics-canada-pic/issue/67/1
Photoelectron spectroscopy is arguably the most popular
technique employed at today’s ultraviolet, soft X-ray, and
Adriana PredoiCross
Badriana.
predoicross@
uleth.ca,
Dept. of Physics
and Astronomy,
University of Lethbridge, Lethbridge,
AB, T1K 3M4
The contents of this journal, including the views expressed above, do not necessarily represent the views or policies of the Canadian Association of
Physicists.
Le contenu de cette revue, ainsi que les opinions exprimées ci-dessus, ne représentent pas nécessairement les opinions ou les politiques de l’Association
canadienne des physiciens et physiciennes.
LA PHYSIQUE
AU
CANADA / Vol. 70, No. 1 ( 2014 ) + 1
FOREWORD/PRÉFACE
hard X-ray synchrotron radiation sources. The reason for its
popularity is the versatile nature of the photoemission process.
Synchrotron radiation offers the advantages of tunability,
polarization and cleanliness. The wide energy range of its
photons (from VUV to Hard X-ray) enables scientists to clarify
valence-band and core-level photoemission spectra.
With angle-resolved photoemission spectroscopy, the electron-energy-band structure in the initial states and the Fermi
surface can be elucidated. New advances in high-energy and
angular-resolution measurements allowed scientists to study
the quantitatively fine spectral features near the Fermi level,
which are directly related to the low-energy excitations of the
materials. For three-dimensional electron systems in particular, the final-state effect is significant, and for lineshape
analyses, the tunability of the incident photon energy is
critical. On the basis of the electron kinetic-energy dependence of the mean free path, scientists can study the surface,
interface, and bulk electronic properties of materials. The
fourth paper in our mini special issue, “Photoemission studies
at the CLS: From VUV to Hard X-ray” by Dr. Xiaoyu Cui,
features the rapid development at the CLS of applications of
high-energy-resolution photoemission spectroscopy using
tunable synchrotron radiation.
To conclude, science and innovation are at the heart of our
future. This special issue of Physics in Canada seeks to provide
a bridge from the peer-reviewed scientific literature to a
broader audience of society while providing the depth of
science that the complex research carried out at the CLS
demands and deserves. The special issue presents only a few
examples of the high caliber science that CLS users and the
CLS scientists are conducting, chosen based on the subjective
preference of the editors.
Adriana Predoi-Cross
Guest Editor
Comments of readers on this foreword are more than welcome.
UN DEUXIÈME APERÇU DES ACTIVITÉS DE RECHERCHE
CENTRE CANADIEN DE RAYONNEMENT SYNCHROTRON
ans le Volume 67(1) de 2011 de La Physique au
Canada1, nous vous avons présenté le Centre canadien de rayonnement synchrotron (CCRS) comme
installation nationale avec toutes ses capacités de
recherche. Nous vous avons aussi présenté un ensemble
d’expériences en cours à ce moment au CCRS. Ce deuxième
numéro spécial sur la recherche menée au CCRS documente
les progrès et découvertes réalisés récemment sur quatre autres
lignes de lumières.
D
Les articles scientifiques présentés ici sont représentatifs
des principaux secteurs des recherches menées au CCRS
(sciences de la terre et de l’environnement, sciences de la
vie, sciences chimiques et des matériaux), et illustrent les
progrès des techniques et des instruments de synchrotron. Ces
études scientifiques ont un impact sur les avances dans cette
discipline et étoffent les connaissances améliorant l’imagerie
biomédicale, les matériaux de pointe, l’étude des fossiles et la
spectroscopie de photoémission. Ce n’est là qu’une infime
fraction de la science que facilite le synchrotron national
canadien.
À l’aide de puissants rayons X, des scientifiques ont mis au
point au CCRS des programmes d’instruments d’optique à
1. le Volume 67(1) de 2011 de La Physique au Canada est disponible en ligne à
http://www.cap.ca/fr/publications/physics-canada-pic/issue/67/1
2
+
PHYSICS
IN
CANADA / VOL. 70, NO. 1 ( 2014 )
DU
rayons X qui soutiennent la recherche en imagerie biomédicale. Quelques exemples sont discutés dans ce numéro
spécial. Dans le cas d’une technique d’imagerie avec énergie
variable, des mesures par projection sont réalisées en différents
points du spectre de rayons X. Ces mesures sont traitées pour
obtenir des données d’images pertinentes en recherche biomédicale. Les scientifiques ont aussi mis au point des variantes de
l’imagerie à ouverture codée, technique qui bénéficie aussi du
rayonnement à grande énergie des rayons X. En bloquant et
débloquant la lumière suivant un schéma connu, une « opacité »
codée est projetée sur un plan de détecteurs qui servent à
déduire les propriétés de la source originale de lumière par
algorithmes informatiques. Le système d’imagerie par interférométrie à rayons X Talbot est plus sensible que l’imagerie
par absorption commune. Cette technique est sensible à de
faibles variations de densité de matière et peut être utile pour
les applications d’imagerie à contraste de phase. L’article
intitulé « X-Ray Optics Development for Biomedical Imaging
Applications at the Canadian Light Source » porte sur ce sujet
et décrit les résultats récents de l’équipe menée par Dean
Chapman de l’Université du Saskatchewan.
La diffusion élastique des rayons X mous de résonance à l’aide
d’un synchrotron (RXXS) offre une sonde à élément et site
uniques et à valence précise pour l’étude des modulations
spatiales de charge, de spin, et de la variance orbitale des
PRÉFACE
solides sur l’échelle nanométrique. Cette méthode permet aussi
d’examiner la mise en ordre des phénomènes en couches
minces par voie électronique et de « zoomer » sur les
propriétés électroniques émergentes d’interfaces enfouies
dans des hétérostructures artificielles. L’article “Resonant
Elastic X-Ray Scattering in Cuprate Superconductors” par
David G. Hawthorn and Andrew J. Achkar discute comment la
technique de diffusion élastique des rayons X mous résonants
est appliquée à l’étude des paramètres d’onde de densité de
charge de supraconducteurs haute température en cuprate.
Les paléontologistes sont parmi les utilisateurs des techniques
d’imagerie du CCRS. L’analyse de la morphologie externe
d’un fossile ne suffit pas pour extraire toute l’information
nécessaire pour une étude paléontologique. De nos jours
l’observation de la structure interne est de plus en plus
importante, mais ces observations ne doivent pas être destructives pour préserver des échantillons importants. Grace aux
différents outils disponibles au CCRS, le rayonnement synchroton apparait comme un outil presque idéal pour la
paléontologie. L’article de Mauricio Barbi et ses collaborateurs
intitulé Synchrotron Radiation as a Tool in Paleontology
montre comment la radiation synchrotron peut être utilisée
pour étudier la chimie des os de dinosaures de l’ère crétacé,
pour avoir une meilleure comprehension de la diète et de
l’environnement des dinosaurs. Au moyen des installations du
CCRS, les scientifiques tentent essentiellement de remonter
dans le temps pour comprendre la vie des dinosaures. La
spectroscopie photoélectrique est aujourd’hui sans doute la
technique la plus populaire qui utilise le rayonnement synchrotron que ce soit dans l’ultraviolet, les rayons X mous ou
durs. Sa popularité tient de la versatilité du processus de
photoémission. Le rayonnement synchrotron est réglable,
polarisable et propre. La grande gamme d’énergie de ses
photons (des VUV aux rayons X durs) permet aux scientifiques
d’établir les spectres de photoémission venant des bandes de
valence et des électrons du noyau.
dans les états initiaux et près de la surface de Fermi. De
nouvelles avances à haute énergie et dans la résolution
angulaire permettent aux scientifiques d’étudier quantitativement la structure fine près du niveau de Fermi, qui est
directement relié aux excitations de basse énergie des matériaux. Pour des systèmes électroniques de trois dimensions en
particulier, l’état final est très important. Pour des analyses de
profil spectral, le réglage des photons incident est crucial. En se
basant sur la dépendance du libre parcours moyen des électrons
sur l’énergie cinétique, les scientifiques peuvent étudier les
propriétés électroniques des surfaces, des interfaces et de
l’intérieur des matériaux. Dans le quatrième article de notre
mini-numéro spécial, « Photoemission studies at the CLS:
From VUV to Hard X-ray » Xiaoyu Cui expose la mise au
point rapide d’applications de la spectroscopie de photoémission à rayonnements de haute énergie au CCRS, à l’aide du
rayonnement synchrotron réglable.
En conclusion, la science et l’innovation sont au cœur de notre
avenir. Ce numéro spécial de La Physique au Canada vise à
faire le pont entre les ouvrages scientifiques évalués par les
pairs et un public plus large, tout en assurant la profondeur
scientifique que la recherche complexe menée au CCRS exige
et mérite. Ce numéro présente quelques exemples des
recherches scientifiques de haut calibre que mènent les
utilisateurs du CCRS et les scientifiques qui y travaillent, la
sélection étant fondée sur les préférences subjectives des
rédacteurs.
Adriana Predoi-Cross
Rédactrice honoraire
Les commentaires de nos lecteurs (ou lectrices) au sujet de
cette préface sont bienvenus.
NOTE: Le genre masculin n’a été utilisé que pour alléger le
texte.
Avec la spectroscopie photoélectronique centrifuge avec résolution angulaire, on peut caractériser la structure électronique
LA PHYSIQUE
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CANADA / Vol. 70, No. 1 ( 2014 ) + 3