Bedre neutronspejle kan afsløre stoffets indre hemmeligheder

Forbedrede neutronspejle kan øge effektiviteten af ​​materialeanalyse i neutronkilder såsom European Spallation Source. Det forbedrede spejl er udviklet af forskere ved Linköpings Universitet ved at belægge en siliciumplade med ekstremt tynde lag af jern og silicium blandet med borcarbid. Deres undersøgelse er blevet publiceret i tidsskriftet Science Advances .

"I stedet for at øge effekten på neutronkilden, som er ekstremt dyr, er det bedre at fokusere på at forbedre optikken," siger Fredrik Eriksson, forsker ved Thin Film Physics Division ved Linköpings Universitet.

Sammen med protoner danner neutroner atomkerner. Afhængigt af antallet af neutroner i en kerne kan grundstoffets egenskaber variere. Derudover kan neutroner også bruges til at analysere forskellige materialer på et meget detaljeret niveau. Denne metode kaldes neutronspredning.

Sådanne målinger udføres på særlige neutronforskningslaboratorier kaldet neutronkilder. Et sådant laboratorium, European Spallation Source, eller ESS, er nu ved at blive bygget uden for Lund. Dette er en investering på 2 mia. EUR.

ESS og andre neutronkilder kan sammenlignes med avancerede mikroskoper, der gør det muligt for forskere at undersøge forskellige materialer og deres egenskaber ned til atomniveau. De bruges i alt fra studier af atomare strukturer, materialedynamik og magnetisme til proteiners funktioner.

Det kræver enorme mængder energi for neutronerne at blive frigivet fra atomkernerne. Når neutronerne frigives i neutronkilden, skal de fanges og rettes mod deres mål, det vil sige det materiale, der skal undersøges. Specielle spejle bruges til at dirigere og polarisere neutronerne. Disse er kendt som neutronoptik.

Selvom ESS vil have verdens kraftigste neutronkilde, vil antallet af tilgængelige neutroner i eksperimenterne være begrænset. For at øge antallet af neutroner, der når instrumenterne, kræves forbedret polariserende optik. Det er noget forskere fra Linköping Universitet nu har opnået ved at forbedre neutronoptikken på flere vigtige punkter for at øge effektiviteten.

"Vores spejle har bedre reflektans, hvilket øger antallet af neutroner, der når deres mål. Spejlet kan også meget bedre polarisere neutronerne til det samme spin, hvilket er vigtigt for polariserede eksperimenter," siger Anton Zubayer, doktorand ved Institut for Fysik, kemi og biologi og hovedforfatter af Science Advances artikel.

Han fortsætter, "Også da dette ikke længere kræver en stor magnet, kan spejlet placeres tættere på prøverne eller andet følsomt udstyr uden at påvirke selve prøverne, hvilket igen muliggør nye typer eksperimenter. Derudover har vi også reduceret den diffuse spredning, hvilket betyder, at vi kan reducere baggrundsstøj i målingerne."

Spejlene er fremstillet på et siliciumsubstrat. Gennem en proces kaldet magnetronsputtering er det muligt at belægge underlaget med udvalgte elementer. Denne proces gør det muligt at belægge det med flere tynde film oven på hinanden, dvs. en flerlagsfilm.

I dette tilfælde anvendes jern- og siliciumfilm, blandet med isotopberiget borcarbid. Hvis lagtykkelserne er af samme størrelsesorden som neutronbølgelængden, og grænsefladen mellem lagene er meget glat, kan neutronerne forlade spejlet i fase med hinanden, hvilket giver en høj reflektivitet.

Fredrik Eriksson mener, at hver neutron er værdifuld, og hver lille forbedring i effektiviteten af ​​neutronoptikken er værdifuld for at forbedre eksperimenterne.

"Ved at øge antallet af neutroner og også afspejle højere neutronenergier åbnes muligheder for banebrydende eksperimenter og banebrydende opdagelser på tværs af discipliner, herunder fysik, kemi, biologi og medicin," siger Fredrik Eriksson.

Neutronanalyse gør brug af neutronernes evne til at opføre sig både som en bølge og som en partikel. Disse neutroner kan til gengæld have to forskellige spins. Det er hovedsageligt vigtigt for magnetiske undersøgelser at kunne bruge polariserede neutroner, dvs. neutroner med kun ét specifikt spin.

Flere oplysninger: Anton Zubayer et al., Reflekterende, polariserende og magnetisk blød amorf neutronoptik med 11 B-beriget B 4 C, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0402

Leveret af Linköping University