Ny ORNL-software forbedrer neutronspektroskopidataopløsningen

Neutronspektroskopi er et vigtigt værktøj til at studere magnetiske og termoelektriske egenskaber i materialer. Men ofte er beslutningen, eller instrumentets evne til at se fine detaljer, er for grov til klart at kunne observere træk, der identificerer nye fænomener i nye avancerede materialer.

For at løse dette problem, Fahima Islam, Jiao Lin, og Garrett Granroth, forskere med Neutron Sciences Directorate (NScD) ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), udviklet en ny superopløsningssoftware, kaldet SRINS, der gør det lettere for forskere at bedre forstå materialers dynamiske egenskaber ved hjælp af neutronspektroskopi. Ved at kæmme neutrondata fra flere detektorer gennem en speciel algoritme, softwaren bruger flere målinger af den samme materialeegenskab fra forskellige perspektiver for at give forskere resultater, der har op til fem gange finere opløsning end dem, der er produceret gennem traditionelle spektroskopi-datareduktionsteknikker.

"Med denne software, vi kan forbedre opløsningen af ​​neutronspredningsdata målt i et direkte geometrispektrometer med en faktor på fem uden at installere ny hardware. Denne innovation kan føre til flere udviklinger, der udnytter billedbehandlingsforskning inden for neutrondatavidenskab til det globale neutronspredningssamfund, " sagde Lin.

Neutronspektroskopi er en neutronspredningsteknik, der bruges til at detektere og måle energisignaturer, der stammer fra materialets indre dynamik. Disse signaturer giver videnskabsmænd enestående indsigt i, hvordan materialer opfører sig, især dem med termoelektriske og magnetiske egenskaber. Forskere kan derefter bruge denne information til at generere nye, avancerede materialer til fremtidige anvendelser.

"Undersøgelsen af ​​sådanne energisignaturer er grundlæggende forskning, men det er grundforskning med et formål. De data, vi indsamler med neutronspektroskopi, kan give meningsfulde bidrag til ting som kvantecomputere og næste generations kølesystemer, sagde Granroth.

For at gøre det lettere for forskere at lægge grunden til fremtidige videnskabelige resultater, Islam, Lin, og Granroth arbejdede sammen med kolleger i ORNL's Computational and Applied Mathematics Group (CAM) for at skabe en algoritme, der i høj grad forbedrer opløsningen af ​​data produceret med neutronspektroskopi. Derefter, ved at bruge programmeringssproget Python, de kodificerede deres algoritme til software, som videnskabsmænd over hele verden kan installere på deres neutronspektroskopiinstrumenter.

"Det er bare en prototype, men vi har haft bemærkelsesværdig succes indtil videre. Til sammenligning, at forbedre dataopløsningen så meget ved at installere nyt udstyr ville have krævet meget større instrumentering, som er umulig at bygge. Med denne software, vi er i stand til at spare på ressourcer og stadig lave drastiske forbedringer af vores neutronspektroskopi. Og det har potentialet til at forbedre opløsningen af ​​mange neutronspredningsmålinger, ikke kun spektroskopi, " sagde Fahima.

"Oak Ridge er unik i det faktum, at vi har flere verdensførende faciliteter lige ved siden af ​​hinanden. At have muligheden for at arbejde sammen med mine kolleger om banebrydende videnskab som denne software var virkelig spændende, " sagde Richard Archibald, en anvendt matematiker med CAM, der hjalp islam, Lin, og Granroth udvikler softwaren.

Islam, Lin, og Granroth håber, at deres nye software ikke kun vil føre til nye udviklinger inden for avanceret materialeforskning på Oak Ridge, men har også stor indflydelse på neutronspredningsområdet generelt.

"Så vidt vi ved, dette er det første publicerede arbejde, der viser en anvendelse af super opløsning på neutroner. Vi er på forkant med en spændende ny trend, der vil hjælpe andre neutronspredningsfaciliteter med at forbedre deres egen dataopløsning. " sagde Lin.