ORNL neutroner tilføjer avanceret polarisationsevne til måling af magnetiske materialer

At forstå magnetisme på sit mest fundamentale niveau er afgørende for at udvikle mere kraftfuld elektronik, men materialer med mere komplekse magnetiske strukturer kræver mere komplekse værktøjer til at studere dem – kraftfulde værktøjer, der blot omtales som "neutroner".

To af verdens mest kraftfulde kilder til neutronspredning ved det amerikanske energiministeriums (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) får opgraderinger. Tilføjelse af en avanceret funktion kaldet sfærisk neutronpolarimetri vil gøre det muligt for forskere at bruge ORNLs High Flux Isotope Reactor (HFIR) og Spallation Neutron Source (SNS) til at foretage målinger af materialer med eksotiske magnetiske strukturer og kvantetilstande, som tidligere var utilgængelige i USA.

"Neutroner er ideelle til at studere magnetiske fænomener, " sagde ORNL post-masters forsker Nicolas Silva. "De er elektrisk neutrale, eller har ingen beregning, og udviser magnetiske øjeblikke, som sådan får dem til at ligne små magneter selv. "

Når neutroner passerer gennem et materiale og spreder magnetiske felter, der genereres af et materiales atomer, de maler et atomportræt eller endda en 3D-model af materialets atomarrangement og afslører, hvordan atomerne i systemet opfører sig.

Neutroner har et "spin, "eller orientering, ligesom nord- og sydpolen af ​​køleskabsmagneter. I en typisk neutronstråle, neutronerne i strålen har spins, der er arrangeret tilfældigt. Måling af visse meget dynamiske eller komplekse magnetiske systemer, imidlertid, kræver mere ensartethed, som er tilvejebragt af en polariseret neutronstråle, hvor hvert neutronspin er justeret parallelt og med samme orientering.

"Neutronpolarisationsfiltre giver os mulighed for at gennemskue de ting, vi ikke ønsker at se, og som kan være mudrede for det signal, vi er interesserede i, "sagde instrumentforsker Barry Winn." Ligesom hvordan polariserede linser tillader lystfiskere at se fisk svømme under, som ellers ville blive blokeret af vandets refleksion. "

Neutroner vil ændre deres spins på forudsigelige måder, når de spreder sig. Brug af en polariseret stråle gør det muligt for forskere bedre at forstå, hvad der sker i et materiale ved at etablere neutronspin før og måle neutronspin efter strålen rammer prøven. For eksempel, en neutrons spin kan vendes i den modsatte retning under spredning.

"I USA, de fleste målinger, vi har foretaget med polariserede neutroner indtil nu, har været baseret på, om neutronen, efter at være blevet spredt fra materialet eller dets magnetfelt, bliver roteret 180 grader eller bevarer sin orientering. Vi kalder det spin-flip og non-spin-flip, " sagde Winn.

"Men der er et problem med det. Hvis vi får nogen spredning af prøven, der er noget andet end et ikke-spin-flip eller spin-flip - eller noget andet end 0 og 180 grader - så blæser strategien op i vores ansigt."

Strategien fungerer godt for konventionelle magnetiske materialer såsom ferromagneter og antiferromagneter, hvor alle magnetiske atomer peger enten i samme retning eller i alternerende retninger, men forbliver parallelle med deres naboer. Imidlertid, strategien virker ikke for mere komplekse magnetiske strukturer.

For eksempel, teknikken er begrænset, når det kommer til at undersøge eksotiske partikler såsom skyrmioner - kvasipartikler, der udviser chiral bevægelse, eller sammenfiltrede hvirvler, eller spabad af asymmetriske feltlinjer. Sådanne partikler giver spændende potentiale for materialer, der bruges i avanceret datalagring og kvanteberegningsapplikationer.

For at løse problemet, Polarisationsforsker Peter Jiang leder et ORNL-team inklusive Winn og Silva i et laboratoriestyret forsknings- og udviklingsprojekt for at udvikle sfærisk neutronpolarimetri til flere ORNL-strålelinjer. Teknologien vil muliggøre neutronmålinger af materialer, der ikke er i overensstemmelse med de traditionelle spin-flip og non-spin-flip domæner, eller, med andre ord, vil gøre det muligt for forskere at se den dynamiske magnetiske adfærd, der findes imellem.

"De traditionelle teknikker er ikke sofistikerede nok til at studere visse komplekse magnetiske systemer, " sagde Jiang. "Nu, vi er ikke længere begrænset til spin-flips. Dette giver os mulighed for at se på magnetiske arrangementer, som vi ikke var i stand til at finde ud af før."

Sfærisk neutronpolarimetri er blevet brugt i Europa, og nu tilpasser Jiang og ORNL-teamet teknologien til instrumenter hos SNS og HFIR. De bygger teknologien baseret på igangværende forskning udført af Tianhao Wang, først som kandidatstuderende ved Indiana University, Bloomington, og senere som en postdoktoral forskning på ORNL -teamet.

Den grundlæggende teknologi inkorporerer yderligere optiske enheder installeret på både den indkommende stråle, der rammer prøven - den indfaldende stråle - og den udgående stråle, der spredes fra den, som muliggør målinger af spredte neutroner orienteret i enhver retning. ORNL-teknologien bygger på tidligere prototypedesign og vil tilbyde adskillige innovationer.

Med ORNL sfæriske neutronpolarimetri-enheder, den spredte strålebane behøver ikke være på linje med den indfaldende stråle, men kan i stedet vinkles rundt om prøven.

"Det betyder, at hvis neutronen ikke oplever en fuld vending, vi kan justere feltet i den anden ende, eller flyt apparatet for at detektere neutroner, der spredes i forskellige retninger, " forklarede Silva.

Holdet udviklede også to uafhængige kølesystemer for at gøre det muligt for forskere at studere, hvordan magnetiske strukturer ændrer sig som en funktion af temperaturen. Det første system afkøler to sfæriske neutronpolarisationskomponenter placeret på hver side af prøven for at gøre dem superledende. Det andet system introducerer en ekstra kryostat med automatisk genopfyldning af flydende helium, der giver forskere mulighed for lettere at udforske materialer under en række temperaturer uden at forstyrre de temperaturer, der kræves for superledning i det første system.

Endelig, de sfæriske neutronpolarimetrienheder er lavet med mere effektive materialer. Mens tidligere designs bruger niobium til de superledende plader, det nye design bruger et yttrium-barium-kobber-oxid (YBCO), der superleder ved 93 Kelvin (-292 ° F), en væsentlig højere temperatur end sin niobium-forgænger. Derudover de superledende film er koblet sammen med mu-metal åg, der kombineres for at skærme alle andre magnetiske felter og etablere et nulfelt omkring prøven for at studere materialernes spin i deres naturlige tilstand.

"At nå superledning kræver en betydelig mængde køleeffekt. Niobium skal afkøles til under 10 K for at opretholde superledning, så de europæiske designs krævede omfattende kølesystemer, der ofte skulle genopfyldes manuelt med flydende helium, " sagde Jiang.

"Med højtemperatur YBCO-film, vi kan bruge et enkelt-trins køleskab med lukket cyklus til at afkøle filmen til langt under dens kritiske temperatur, så vi er ikke bekymrede for tab af superledning. Og, med det tilføjede flydende helium-autofyldsystem til kryostaten og kølesystemet med lukket cyklus, enheden bliver lettere at bruge og mere effektiv."

Hvad mere er, systemet er kompakt sammenlignet med tidligere systemer - de højtemperatur-superledere, der ophæver behovet for et stort kølesystem, gør det mobilt.

"Hvis noget, der er et vidnesbyrd om, hvor bærbar enheden er. Vi har flyttet det til atomreaktoren ved University of Missouri, så tilbage til HFIR, og fra HFIR til SNS, " sagde Silva. "Jeg har sat det sammen og skilt det ad flere gange, og hver gang, jeg har fundet nemmere måder at forbinde brikkerne på – bare små ændringer i livskvaliteten, vi laver for at forbedre dets anvendelighed."

Systemet er blevet testet med succes, hvor fuld polariseringsmålinger blev foretaget under anvendelse af flere kendte materialer, herunder silicium, mangan-oxid, og bismuth-jernoxid.

Holdet planlægger at implementere systemet på HFIR's PTAX tredobbelt akse spektrometer og GP-SANS diffraktometer, som vil være optimeret til reaktorens steady-state neutronstråle, med fuld kapacitet, der forventes ved udgangen af ​​2020.

Efterfølgende, holdet vil udvikle en lignende sfærisk neutronpolarimetri-enhed eksklusivt til HYSPEC-instrumentet på SNS, hvilket vil gøre det til det eneste instrument i verden, der kobler et superspejl-array og vidvinkelkapacitet. Enheden vil også drage fordel af de unikke egenskaber, der er aktiveret af SNS pulsed-source acceleratoren.

"I mellemtiden, " sagde Winn, "vi kommer til at have en arbejdshest i PTAX, der vil slå vores sokker af."