共振非弹性X射线散射（RIXS）是一种先进的X射线光谱技术，它结合了X射线吸收精细结构（XAFS）和X射线发射光谱（XES）的特点，用于研究物质的电子结构和动力学性质。
作为一种对光子需求极高的技术，RIXS只能在高亮度的同步辐射源或自由电子激光器（FELs）上实现。通常，在软X射线能量范围内，RIXS测量的是过渡金属2p电子或氧1s电子与3d过渡金属氧化物的强杂化价态之间的激发和退激发的最终态，所以定义为价态RIXS。
RIXS技术的核心在于利用X射线与物质相互作用时的共振效应，当X射线的能量与物质中某个元素的内层电子电离能量相匹配时，会发生强烈的吸收峰，这个共振吸收过程可以极大地增强特定元素的散射信号。通过测量这些散射光子的能量损失，可以获得关于物质内部电子动态和集体激发（如声子、磁子等）的信息。
图2展示了过渡金属氧化物的RIXS特征。图2a显示了RIXS过程的单电子图像，也称为能级图。在价态RIXS过程中，一个核心电子被激发到3d态，然后衰减回核心状态。在荧光过程中，一个核心电子被激发到自由电子状态，而一个价电子衰减回核心状态。
但不是所有的RIXS过程都能用单电子模型描述。图2b展示了RIXS过程的总能量模型，也称为态图。在态图中，最低能量状态是基态。在更高的能量下，会发生诸如声子和dd等激发。RIXS过程可以被理解为从基态到核心激子的跃迁，与这个核心激子衰减回基态或到低能激发态的耦合。
RIXS实验概述
图3为具有开放2p、3d、4d、5d和4f壳层系统的RIXS实验概述。虚线表示低损耗特征，蓝色箭头表示核心RIXS，例如在3d系统中的1s2p（Kα）RIXS，红色箭头表示价态RIXS，其中箭头表示（核心）空穴的运动。X射线能量区域被划分为极紫外（XUV）、软X射线、温和X射线和硬X射线，这些分别对应可用的光束线和RIXS单色器/探测器。1s基态从XUV范围到硬X射线范围变化，取决于元素。
RIXS技术在分子和材料研究中的应用与优势
RIXS研究分子和材料的特定元素激发，包括振动、磁激发、轨道激发、电荷激发和核激发。RIXS技术具有以下优势：
✅元素选择性：RIXS具有吸收边特征，可以特定地研究材料中的特定元素，对于多元素化合物的分析尤其有用。
✅能量–动量空间测量：通过改变动量转移，RIXS能够在能量–动量空间内测量固体的声子、磁子和等离子体色散。
✅适用于薄膜和界面研究：对于软X射线RIXS，其穿透深度约为数百纳米，适合研究薄膜和外延异质结构的界面。
✅小样品分析：高度聚焦的微米级X射线束使得RIXS能够分析小单晶，这是中子散射技术难以实现的。
✅详细的电子结构确定：RIXS能够在原位条件下确定材料的详细电子结构。
✅活性材料的原位研究：RIXS能够用于在工作条件下跟踪活性材料（如电池和催化剂）的变化，揭示价态、自旋和配位的变化。
✅研究非常规相和大响应函数的材料：RIXS适用于研究具有非常规相和大响应函数的量子材料，例如铜氧化物超导体、过渡金属氧化物、铱酸盐或镧系元素。
RIXS技术提供了元素特异性和对集体激发的敏感性，以及额外的偏振选项，如磁圆二色性（MCD）。RIXS实验分为核心RIXS和价层RIXS，能够测量从低能量激发到高能量电子激发的广泛过程。
与非弹性X射线散射（IXS）相比，RIXS的优势在于其核心共振增强了磁散射截面，使其能够以高于IXS的强度探测磁激发。
电子能量损失光谱学（EELS）作为IXS的电子类似物，具有约10 meV的分辨率，并可与显微镜结合使用，提供能量和动量分辨率以及空间分辨率。
拉曼散射使用紫外（UV）和可见光，类似于RIXS，但通常不涉及动量传递，尽管在光学共振下可以探测低能量损失激发。
中子非弹性散射（INS）具有比RIXS更高的能量分辨率，但需要较大的样品量和较大的探测体积。
RIXS特别适用于映射中性电子–空穴激发和玻色子准粒子，与角分辨光电子能谱（ARPES）形成互补，后者关注占据态和费米子准粒子。
表1 RIXS技术与其他相关技术比较
Schlappa, J.等人通过高分辨率铜L边价态RIXS技术，实现了对cuprates氧化物中的dd轨道内部复杂电子结构和磁激发行为的高精度探测。揭示了cuprates中的自旋自由度及其与超导配对机制的关系。
（DOI:https://doi.org/10.1038/nature10974）
鲁兴业教授课题组采用RIXS技术，研究了铁基超导体FeSe1-xSx中的自旋激发谱。他们发现在单轴应变下，自旋激发各向异性（向列自旋关联）在FeSe1-xSx的相图中广泛存在，为向列自旋涨落驱动的电子向列相提供了新的实验证据。
（DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.016501）
Nag, A.等人通过高分辨率RIXS技术，在α-Fe2O3中观察到了单一位点的多磁子激发，揭示了其基态Fe3+的6A1态及自旋S = 5/2的多次变化，并通过实验观察到一至四磁子峰。
图6一维自旋链Y2BaNiO5中的磁激发与DMRG计算
（DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-30065-5）
在另一项研究报告中，Nag, A.使用软X射线价态RIXS技术发现了在Kagome Weyl半金属Co3Sn2S2中一个清晰定义且近乎平坦带状的Stoner激发，与传统铁磁金属中的无特征Stoner连续体形成鲜明对比。在铁磁性和镍金属中观察到了magnons，这些magnons在布里渊区的中心附近分散，但在更高的q值处因与粒子–空穴Stoner激发的相互作用而被阻尼，这通常会导致magnon寿命缩短。
图7 在Co3Sn2S2中沿h方向近平坦能带Stoner激发
（DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-34933-y）
RIXS仅发展不到20年，却已成为一种强大的技术。结合测量的极化和动量依赖性，创造了一个新的实验测试水平。预计在未来几年中，X射线自由电子激光（FEL）的新兴技术将为RIXS领域带来两项重要的进步：一是能够研究飞秒时间尺度上的现象，二是开展非线性X射线实验。
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