Bevægelige siliciumlinser gør det muligt for neutroner at se nye detaljer inden for objekter

Du kan ikke se godt uden linser, der kan fokusere, om disse linser er i dit øje eller det mikroskop, du kigger igennem. En ny innovativ måde at fokusere stråler af neutroner kan muligvis give forskere mulighed for at undersøge interiøret i uigennemsigtige objekter i et størrelsesområde, de tidligere var blinde for, giver dem mulighed for at udforske genstande fra meteoritter til banebrydende fremstillede materialer uden at beskadige dem.

Metoden, udgivet i dag i Fysisk gennemgangsbreve , kunne konvertere det, der historisk set har været et støtteværktøj for neutronvidenskab, til en fuldgyldig scanningsteknik, der kunne afsløre detaljer i størrelse fra 1 nanometer op til 10 mikrometer inden for større objekter. Fremgangsmåden giver dette værktøj, kendt som neutroninterferometri, med hvad der egentlig er dens første bevægelige "linser", der er i stand til at zoome ind og ud på detaljer i dette størrelsesområde - et område, der har været svært at undersøge, selv med andre neutronscanningsmetoder.

Mere præcist, disse "linser" er siliciumskiver, der fungerer som diffraktionsgitre, som drager fordel af neutroners bølgelignende egenskaber. Ristene splitter og omdirigerer en neutronstråle, så bølgerne hopper af et objekts kanter og derefter kolliderer med hinanden, skabe et synligt moiré -interferensmønster, der er repræsentativt for objektet, som er let for eksperter at fortolke.

Metoden blev udviklet af et team af forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST), National Institutes of Health (NIH), og Canadas University of Waterloo. Ifølge NIST's Michael Huber, tilgangen kunne gøre neutroninterferometri til et af de bedste undersøgelsesværktøjer i et materialeforsker -kit.

"Vi kan se på struktur på mange forskellige niveauer og i forskellige skalaer, sagde Huber, en fysiker med NIST's Physical Measurement Laboratory, der udfører eksperimenter på NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Det kan supplere andre scanningsteknikker, fordi dets opløsning er så god. Det har en dramatisk evne til at fokusere, og vi er ikke begrænset til at se på tynde skiver af materiale som med andre metoder - vi kan let se inde i en tyk klump sten. "

Interferometri er en specialitet inden for neutronvidenskabens verden. Inden forskere kan undersøge et objekts indre med en neutronstråle, de skal først have et par grundlæggende detaljer om, hvordan neutronerne hopper af objektets atomstruktur. En af disse detaljer er et stofs brydningsindeks, et tal, der angiver, hvor meget den vil bøje strålen fra den retning, den bevæger sig. (Vand bøjer lys på en lignende måde - derfor ser din arm ud som om den bøjer væk, når du dypper det ned i en swimmingpool.) Neutroninterferometri er den bedste måde at opnå den afgørende måling.

Neutroninterferometri har også potentiale til andre anvendelser inden for grundlæggende fysik, såsom nøjagtig måling af gravitationskonstanten. Det er følsomt nok til at opdage, hvordan et objekts tyngdekraft kan aflede neutroner, ligesom Jorden tiltrækker en flyvende bold (og omvendt). Men neutronmetodens akilleshæl har været, hvor langsomt den virker. For at fokusere neutroner på en prøve af materiale, et interferometer har haft brug for en krystal udskåret til præcise dimensioner ud af en enkelt stor blok af dyre, silikone i topkvalitet. (Andre neutronteknikker kan nøjes med krystaller af langt lavere kvalitet.)

Desværre, krystaller, der er gode nok til interferometri, blokerer også de fleste neutroner, der rammer dem, hvilket betyder, at det tager lang tid for en stråle at sende nok neutroner forbi en prøve for at få et præcist brydningsindeks. Andre opgaver ville tage langt længere tid.

"Neutronkilderne er allerede meget svage, "sagde Waterloos Dmitry Pushin." Det ville tage hundrede år at få et godt svar på grundlæggende spørgsmål såsom værdien af ​​gravitationskonstanten. "

Den nye tilgang undgår disse problemer ved at bruge en trio tynde siliciumrist til at fokusere neutronerne i stedet for en enkelt kostbar krystal. Under et mikroskop, den flade overflade af hvert gitter ligner en kam med smal, tænder med tæt afstand. Ristene tillader ikke alene, at hele neutronstrålen passerer gennem dem - frem for strømmen af ​​neutroner, der kommer gennem krystallen - de har den afgørende fordel ved at være bevægelig.

"Du fokuserer ved at flytte gitteret en brøkdel af en millimeter, "Huber sagde." Det er let, men ikke svært. "

Demonstreret på NIST Center for Neutron Research, teamets tilgang bygger på en opdagelse, der oprindeligt blev foretaget på NIH, hvor forskere eksperimenterede med at påføre ristene på røntgenstråler og lagde mærke til et moirémønster, der dannes på deres visuelle billedbehandler.

"Ideen blev først udviklet af vores laboratorium til at fange billedet af materialer, hvor røntgenstråler rejser med lidt andre hastigheder end i luften, såsom menneskekroppen selv, "sagde Han Wen, seniorforsker ved NIH's National Heart, Lunge, og Blood Institute. "Centralt i denne idé er røntgenrist, som blev fremstillet med de højt specialiserede værktøjer på NIST Nanofab -anlægget. "

Heldigvis, NIST- og Waterloo -forskerne mødte NIH -teammedlemmerne på en konference og indledte et samarbejde, mistanke om, at ristene ville fungere lige så godt for neutroner som for røntgenstråler. NIH -teamet bragte ristene tilbage til NIST, hvor de blev samlet i neutroninterferometeret.

Efter lige så gode resultater på NCNR, Huber sagde, at kun én ting står i vejen for, at deres interferometer bliver et godt værktøj til industrien:De har brug for et sæt åbninger i forskellige bredder, som neutronstrålen vil passere igennem, før det rammer interferometeret. Lige nu, de har kun en enkelt blænde til rådighed, og det begrænser deres syn.

"Vi kan se hele området fra 1 nanometer til 10 mikrometer nu, men billedet er lidt sløret, fordi vi ikke får nok data, "sagde han." Hver anden blænde giver os et andet datapunkt, og med nok punkter kan vi begynde at lave kvantitativ analyse af et materiales mikrostruktur. Vi håber, at vi kan få lavet et sæt på måske hundrede, hvilket ville gøre det muligt for os at få detaljerede kvantitative oplysninger. "

Teamet har allerede scannet det indre af en granitblok, der indeholder en blanding af fire forskellige mineraler, og scanningen viser detaljerne om, hvor hver bit mineral sidder. Huber sagde, at metoden ville være god til ikke-invasive scanninger af porøse genstande som meteoritter eller fremstillede materialer, såsom geler eller skum, som er grundlaget for mange forbrugerprodukter.

"Vi håber også, at vi endelig kan foretage den gravitationskonstante måling, "sagde han." Vi kunne lægge en stor blok af noget tungmetal som wolfram i nærheden og se, hvordan den bøjer strålen. Det ville forbedre vores forståelse af universet og ville ikke tage længere tid end vores levetid. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.