Professor Andreas Michels, natuurkundige aan de Universiteit van Luxemburg, verkent de complexe wereld van magnetische materialen door er neutronen op te schieten. Hij heeft zijn inzichten nu gepubliceerd in een monografie van 380 pagina's met de titel "Magnetic Small-Angle Neutron Scattering − A Probe for Mesoscale Magnetism Analysis." Het boek is uitgegeven door Oxford University Press.

Als resultaat van meer dan twee decennia van experimentele, theoretisch, en simulatieonderzoek, Prof. Andreas Michels heeft nu het eerste boek geschreven dat exclusief is gewijd aan de specifieke neutronentechniek van magnetische kleine-hoek neutronenverstrooiing (SANS). "Als je wilt weten waar magnetische atomen zich in een materiaal bevinden en hoe ze bewegen, je moet neutronenverstrooiing gebruiken, " zegt prof. Andreas Michels. Het neutron is een elementair deeltje dat een magnetisch moment of spin draagt. men kan het neutron zien als een kleine kompasnaald, die, wanneer afgebogen of verstrooid door een magneet, levert informatie op over de structuur en dynamiek van de atomen waaruit het materiaal bestaat. De hoeveelheid van belang in een neutronenverstrooiingsexperiment, de zogenaamde verstrooiingsdoorsnede, hangt af van de verdeling van spins van het bestudeerde materiaal en de analyse ervan levert belangrijke informatie op over de magnetische eigenschappen.

Prof. Michels vervolgt:"De magnetische SANS-methode is onmisbaar in de studie van magnetische materialen; men kan hem gebruiken om alles te onderzoeken, van permanente magneten, magnetische staalsoorten, complexe oxiden en legeringen, ferrovloeistoffen, magnetische nanodeeltjes, tot supergeleiders en de recent ontdekte skyrmionkristallen." De reden voor het belang ervan in de fysica van gecondenseerde materie en materiaal ligt in het feit dat magnetische SANS zorgt voor, vrij uniek, toegang tot de zogenaamde mesoscopische lengteschaal, d.w.z., de schaal tussen enkele nanometers en enkele honderden nanometers - ongeveer tussen de grootte van een streng menselijk DNA tot ongeveer een honderdste van de breedte van een mensenhaar. Dit is een zeer belangrijk maatregime waarop veel macroscopische materiaaleigenschappen worden gerealiseerd. De SANS-methode is vooral nuttig voor materiaalwetenschappers om hen te helpen de magneten te begrijpen die ze in hun laboratoria produceren.

"Bijvoorbeeld, men kan de magnetische SANS-techniek gebruiken om te beslissen of een bepaald materiaal is samengesteld uit homogene of inhomogene magnetische domeinen; dit zijn gebieden binnen de magneet waar de spins in een bepaalde richting wijzen, " legt prof. Michels uit. Deze vraag is van belang voor het verbeteren van de karakteristieke parameters zoals de coërciviteit of het maximale energieproduct van zeldzame-aarde-vrije permanente magneten, een klasse van magnetische energiematerialen die momenteel in de focus ligt van veel onderzoekers over de hele wereld. Een ander voorbeeld betreft de mechanische eigenschappen van staal, wat waarschijnlijk een van de oudste en belangrijkste functionele magnetische materialen is. De mechanische hardheid van reactordrukvatstaal, gebruikt in kerncentrales, wordt bepalend bepaald door de aanwezigheid van holtes (poriën). De onderstaande figuur toont de numeriek berekende spinstructuur rond een bolvormige nanoporie; het formalisme van het boek maakt het mogelijk om hun handtekening in de dwarsdoorsnede van de neutronenverstrooiing te detecteren.

Het boek is tot stand gekomen door het "huwelijken" van twee relatief oude velden in de natuurkunde:de theorie van micromagnetische aan de ene kant en het neutronenverstrooiingsformalisme aan de andere kant. Micromagnetics wordt vaak gebruikt om de magnetisatiedistributie of hysteresislus van magnetische materialen te analyseren, terwijl neutronenverstrooiing wordt gebruikt om microscopische informatie te verkrijgen over de structuur en dynamiek van materialen. "Voordat, micromagnetische en neutronenverstrooiing waren twee gescheiden gemeenschappen die niet veel met elkaar praatten, ", vult Michels aan. Met de publicatie van het boek, en door de organisatie van internationale workshops zoals die bij de European Spallation Source in Lund, het is te hopen dat de gecombineerde micromagnetische &SANS-methodologie meer wijdverspreid wordt, zodat het onderzoek naar magnetische materialen verder kan vorderen.

Ergens naar uitkijken, wat zijn de uitdagingen voor de komende jaren? Duidelijk, er moet veel onderzoek worden gedaan naar zogenaamde complexe systemen, welke materialen zijn die een veelvoud aan interacties vertonen op verschillende lengteschalen; voorbeelden zijn ferrovloeistoffen, magnetische staalsoorten, spinglazen of amorfe magneten. Op dit deelgebied wordt de komende jaren grote vooruitgang verwacht; voornamelijk via het toegenomen gebruik van grootschalige numerieke micromagnetische simulaties, wat een veelbelovende benadering is voor het begrip van de magnetische SANS van systemen die spin-inhomogeniteit op nanoschaal vertonen.

De doelgroep van het boek bestaat uit zowel afgestudeerde studenten als postdocs en senior onderzoekers die werkzaam zijn op het gebied van magnetisme en magnetische materialen. Het formalisme en de concepten die in het boek worden uiteengezet, zullen hen hopelijk in staat stellen hun SANS-experimenten te analyseren en te interpreteren", legt professor Andreas Michels uit. "Het kostte me ongeveer drie jaar om het boek te schrijven, en ik ben nu meer dan blij om de publicatie ervan te zien, " zegt Michels. De monografie is verkrijgbaar als hardcover editie en als e-book, en kan worden besteld in boekhandels over de hele wereld.