Mensen associëren hologrammen meestal met futuristische 3D-weergavetechnologieën, maar in werkelijkheid, holografische technologieën worden nu gebruikt om materialen op atomair niveau te bestuderen. Röntgenstralen, een hoogenergetische vorm van licht, worden vaak gebruikt om de atomaire structuur te bestuderen. Echter, Röntgenstralen zijn alleen gevoelig voor het aantal elektronen dat bij een atoom hoort. Dit beperkt het gebruik van röntgenstralen voor het bestuderen van materialen die uit lichtere elementen bestaan. Neutronenmetingen kunnen vaak de structurele hiaten opvullen wanneer röntgenmetingen mislukken, maar neutronenstralen zijn moeilijker te produceren en hebben een lagere intensiteit dan röntgenstralen, wat hun veelzijdigheid beperkt.

Nutsvoorzieningen, een samenwerking tussen Japanse onderzoekers van nationale deeltjesversnellerfaciliteiten in heel Japan heeft een nieuwe neutronenholografietechniek met meerdere golflengten ontwikkeld die inzicht kan geven in voorheen onbekende structuren. Ze demonstreerden een nieuwe holografische neutronenmethode met behulp van een met europium gedoteerd CaF2-eenkristal en verkregen duidelijke driedimensionale atomaire beelden rond driewaardig Eu-gesubstitueerd tweewaardig Ca, het onthullen van nooit eerder vertoonde intensiteitskenmerken van de lokale structuur waardoor het ladingsneutraliteit kan behouden.

"We wisten dat neutronenholografie ons misschien meer zou kunnen vertellen over de structuur van een met europium gedoteerd calciumfluoridekristal, " zegt hoofdauteur Kouichi Hayashi. "Europium-ionen voegen extra positieve lading toe aan de kristalstructuur, en onze neutronenhologrammen lieten zien hoe fluoratomen in het rooster zijn gerangschikt om deze overtollige lading in evenwicht te brengen. Dit soort structurele problemen komen vaak voor bij materiaalwetenschappers die nieuwe elektronische materialen ontwikkelen, en onze methode biedt een opwindende nieuwe tool voor deze onderzoekers."

De nieuwe holografische methode werkt door neutronen met gecontroleerde snelheid op een monster af te vuren, wat in dit geval de met europium gedoteerde calciumfluoridekristallen zijn. Neutronen worden normaal gezien als deeltjes, maar hebben ook golfachtige eigenschappen vergelijkbaar met licht, afhankelijk van hun snelheid. Wanneer de neutronen europiumatomen raken, gammastralen worden geproduceerd in een patroon dat wordt gecontroleerd door de lokale structuur. De gammastralingspatronen, of hologrammen, gemeten van neutronen die met verschillende snelheden reizen, worden gecombineerd om een ​​driedimensionale weergave van de europium-atomen in het kristal te produceren.

Hayashi zegt, "Neutronenbronnen zijn minder intens dan röntgenbronnen, maar het is essentieel dat we dit probleem omzeilen om effectievere methoden te ontwikkelen voor het verkennen van structuren met lichte elementen. Ons werk hier is een stap in de richting van een volledige gereedschapskist met röntgen- en neutronentechnieken voor materiaalonderzoek."