Ny neutronholografi-teknik åbner et vindue til opnåelse af klare 3D-atombilleder

Folk forbinder normalt hologrammer med futuristiske 3D-displayteknologier, men i virkeligheden, holografiske teknologier bruges nu til at studere materialer på atomniveau. Røntgenstråler, en højenergi form for lys, bruges ofte til at studere atomstruktur. Imidlertid, Røntgenstråler er kun følsomme over for antallet af elektroner forbundet med et atom. Dette begrænser brugen af ​​røntgenstråler til undersøgelse af materialer, der består af lettere elementer. Neutronmålinger kan ofte udfylde de strukturelle huller, når røntgenmålinger mislykkes, men neutronstråler er sværere at producere og har lavere intensiteter end røntgenstråler, hvilket begrænser deres alsidighed.

Nu, et samarbejde mellem japanske forskere fra nationale partikelacceleratorfaciliteter i hele Japan har udviklet en ny neutronholografi-teknik med flere bølgelængder, der kan give indsigt i tidligere ukendte strukturer. De demonstrerede en ny neutronholografisk metode ved hjælp af en europium-dopet CaF2-enkeltkrystal og opnåede klare tredimensionelle atombilleder omkring trivalent Eu-substitueret divalent Ca, afslører aldrig før set intensitetstræk ved den lokale struktur, der gør det muligt at opretholde ladningsneutralitet.

"Vi vidste, at neutronholografi måske kunne fortælle os mere om strukturen af ​​en europium-dopet calciumfluoridkrystal, "siger hovedforfatter Kouichi Hayashi." Europium -ioner tilføjer krystallstrukturen ekstra positiv ladning, og vores neutronhologrammer viste, hvordan fluoratomer er arrangeret i gitteret for at afbalancere denne overskydende ladning. Disse former for strukturelle problemer støder ofte på materialeforskere, der udvikler nye elektroniske materialer, og vores metode tilbyder et spændende nyt værktøj til disse forskere. "

Den nye holografiske metode virker ved at affyre neutroner med kontrolleret hastighed ved en prøve, som i dette tilfælde er de europium-dopede calciumfluoridkrystaller. Neutroner betragtes normalt som partikler, men har også bølgelignende egenskaber, der ligner lys, afhængig af deres hastighed. Når neutronerne ramte europiumatomer, gammastråler produceres i et mønster styret af den lokale struktur. Gammastrålemønstre, eller hologrammer, målt fra neutroner, der rejser med forskellige hastigheder, kombineres for at producere en tredimensionel repræsentation af europiumatomer i krystallen.

Hayashi siger, "Neutronkilder er mindre intense end røntgenkilder, men det er vigtigt, at vi arbejder omkring dette problem for at udvikle mere effektive metoder til at udforske strukturer med lette elementer. Vores arbejde her repræsenterer et skridt i retning af en fuld værktøjskasse med kommentarer røntgen- og neutronteknikker til materialeforskning. "