Spectroscopie de neutroni cu ecou de spin

Spectroscopie de neutroni ecou de spin ( ecou neutroni de spin sau NSE în limba engleză) este o tehnică propusă înapoi spectroscopice în 1972 de către Ferenc Mezei. Instrumentele dedicate permit studierea fenomenelor relativ lente la scară microscopică, cu timpi caracteristici de până la câteva sute de nanosecunde. Utilizarea sa pe baza spectrometrelor cu trei axe face posibilă, de asemenea, îmbunătățirea rezoluției energiei cu cel puțin două ordine de mărime ( E de ordinul eV). Δ{\ displaystyle \ Delta}μ{\ displaystyle \ mu}

Concept general

Practic, tehnica utilizează precesiunea lui Larmor a unui moment magnetic în jurul direcției unui câmp de inducție static. Momentul în cauză este cel purtat de neutron și generat de rotirea 1/2 pe care o poartă. Frecvența unghiulară de rotație a spinului este dată de relația

ω=2πγB{\ displaystyle \ omega = 2 \ pi \ gamma B},

unde = 2916 Hz. G -1 este factorul magnetogric al neutronului, norma vectorului de inducție aplicat. γ{\ displaystyle \ gamma}B{\ displaystyle B}

Luați în considerare cazul unui fascicul monocromatic de neutroni de viteză . Dacă zboară la o distanță în care este aplicat câmpul , faza acumulată va fi dată de v{\ displaystyle v}l{\ displaystyle l}B{\ displaystyle B}

ϕ=γBlmλh{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ gamma Blm \ lambda} {h}}},

unde este lungimea de undă asociată vitezei , = 1,675. 10 -27 kg masa neutronului și = 6,626. 10 -34 Js constanta Planck . Se poate observa că pentru valori suficient de mari, măsurarea fazei oferă o evaluare precisă a lungimii de undă . Această proprietate este baza spectroscopiei ecoului de spin al neutronilor. De fapt, într-un astfel de spectrometru, este vorba de introducerea unui eșantion între două regiuni de aceeași lungime în care există un câmp magnetic identic, dar în direcții opuse. Putem arăta că faza totală măsurată la ieșirea acestui dispozitiv este scrisă λ{\ displaystyle \ lambda}v{\ displaystyle v}m{\ displaystyle m}h{\ displaystyle h}Bl{\ displaystyle Bl}ϕ{\ displaystyle \ phi}λ{\ displaystyle \ lambda}

ϕ=γBlv=γBlmh . (λ1-λ2){\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ gamma Bl} {v}} = {\ frac {\ gamma Blm} {h}} ~. ~ \ left (\ lambda _ {1} - \ lambda _ {2} \ dreapta)}

unde semnul "-" apare din faptul că cele două câmpuri magnetice indică în direcții opuse și este lungimea de undă a neutronului, respectiv înainte și după interacțiunea cu proba. Dacă neutronii nu schimbă energie cu proba, atunci la fel . În caz contrar, putem arăta că, în limita transferurilor de energie slabă în comparație cu energia cinetică a neutronilor incidenți, avem λ1,2{\ displaystyle \ lambda _ {1,2}}λ1=λ2{\ displaystyle \ lambda _ {1} = \ lambda _ {2}}ϕ=0{\ displaystyle \ phi = 0}ℏω{\ displaystyle \ hbar \ omega}

ϕ=γBlm2λ3ω2πh2=ω . τNUSE{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ gamma Blm ^ {2} \ lambda ^ {3} \ omega} {2 \ pi h ^ {2}}} = \ omega ~. ~ \ tau _ {NSE}}

unde este spin-eco (sau Fourier) timpul este un parametru instrumental care dă în acest caz rezoluția temporală a măsurii. Aceasta are o dependență cubică în . Prin urmare, vom fi interesați să lucrăm cu cei mai reci neutroni posibili. τNUSE{\ displaystyle \ tau _ {NSE}}λ{\ displaystyle \ lambda}

Principiul măsurării

În practică, un spectrometru de ecou cu rotire de neutroni constă (în direcția căii neutronice, adică de la sursă la detector):

• un selector de viteză, un rotor cu aripi elicoidale căptușite cu un material absorbant care face posibilă obținerea unui fascicul aproximativ monocromatic ( între 10 și 20%),Δλ/λ0{\ displaystyle \ Delta \ lambda / \ lambda _ {0}}
• un polarizator (în general bazat pe super-oglinzi ) care face posibilă filtrarea unei anumite stări de rotire a neutronilor prin respingerea celuilalt (în practică, se obține un fascicul polarizat la 90-95%),
• un aparat de pinball care face posibilă alinierea polarizării incidente perpendiculare pe câmpul de precesiune,π/2{\ displaystyle \ pi / 2}
• un prim solenoid de precesiune,
• o serie de bobine de corecție în jurul zonei în care este localizată proba, făcând posibilă păstrarea fazei inițiale a neutronilor și astfel împiedicând modificarea acesteia prin orice altceva decât interacțiunea dorită,
• un al doilea solenoid de precesiune,
• un al doilea pinball pentru a pregăti grinda pentru analiză,π/2{\ displaystyle \ pi / 2}
• un analizor, similar cu un polarizator,
• și în cele din urmă un detector de neutroni.

Cantitatea măsurată este polarizarea finală a fasciculului, care este scrisă

P=⟨cos⁡ϕ⟩=∫cos⁡(ω.τNUSE)f(ω)dω{\ displaystyle P = \ langle \ cos \ phi \ rangle = \ int \ cos \ left (\ omega. \ tau _ {NSE} \ right) f \ left (\ omega \ right) d \ omega}

unde este funcția de distribuție a posibilelor transferuri de energie. În împrăștierea neutronilor, această funcție este scrisă și se numește funcția de difuzie sau factorul de structură dinamică . Astfel, recunoaștem în ecuația precedentă partea reală a transformatei Fourier a acestei funcții de difuzie. f(ω){\ displaystyle f \ left (\ omega \ right)}S(ω){\ displaystyle S \ left (\ omega \ right)}

Dacă, de exemplu, prezintă un profil lorentzian de acest tip S(ω){\ displaystyle S \ left (\ omega \ right)}

S(ω)=1π⋅ΓΓ2+ω2{\ displaystyle S \ left (\ omega \ right) = {\ frac {1} {\ pi}} \ cdot {\ frac {\ Gamma} {\ Gamma ^ {2} + \ omega ^ {2}}}} ,

așa că primim

P=exp⁡(-Γ.τNUSE){\ displaystyle P = \ exp \ left (- \ Gamma. \ tau _ {NSE} \ right)} ,

sau o scădere exponențială. Măsurarea polarizării în funcție de informații cu privire la timpul caracteristic asociat fenomenului testat (de exemplu viteza de rotație a moleculelor într-un lichid, timpul de fluctuație a spinului, durata de viață a unui fonon etc. ). P{\ displaystyle P}τNUSE{\ displaystyle \ tau _ {NSE}}τ0=1/Γ{\ displaystyle \ tau _ {0} = 1 / \ Gamma}

Aplicații de cercetare de bază

• Măsurarea în timp a fluctuațiilor caracteristice în sisteme de diferite tipuri și dimensiuni: dinamica spinului în sistemele magnetice, târârea macromoleculelor, mecanisme de difuzie în lichide etc.
• Determinarea precisă a variației parametrilor ochiurilor în monocristale sau pulberi, în funcție de o constrângere externă dată (temperatură, presiune etc. ). Aceasta se numește difracție Larmor .

Exemple de instrumente

• La Institut Laue-Langevin (Grenoble, Franța): IN11 , IN15 , IN22 / ZETA , WASP
• La Laboratorul Léon Brillouin (Gif sur Yvette, Franța): MUSES
• (ro) La Maier-Leibnitz Zentrum (Garching bei München, Germania): J-NSE , RESEDA , TRISP
• (ro) La Helmoltz-Zentrum Berlin (Berlin, Germania): V2 / FLEXX
• (ro) La Neutron Source Spallation (Oak Ridge, SUA): NSE
• (în) În J-Parc (Ibaraki, Japonia): ROSE WINE (în construcție)

Bibliografie

• F. Mezei, Neutron spin echo - Nou concept în tehnici polarizate de neutroni termici , Zeit. Fizic. 255 (1972) 146
• F. Mezei (Ed.), Neutron Spin Echo , Lecture Notes in Physics 128 (1979)
• F. Mezei, C. Pappas și T. Gutberlet (Eds.), Neutron Spin Echon Spectroscopy: Basics, trends and applications , Lecture Notes in Physics 601 (2003)
• T. Keller, B. Golub și R. Gähler, Neutron Spin Echo - O tehnică pentru împrăștierea neutronilor de înaltă rezoluție , [1]