Neutronenspectroscopie is een belangrijk hulpmiddel voor het bestuderen van magnetische en thermo-elektrische eigenschappen in materialen. Maar vaak de resolutie, of het vermogen van het instrument om fijne details te zien, is te grof om duidelijk kenmerken waar te nemen die nieuwe verschijnselen in nieuwe geavanceerde materialen identificeren.

Om dit probleem op te lossen, Fahima Islam, Jiao Lin, en Garrett Granroth, onderzoekers met het Neutron Sciences Directorate (NScD) van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE), een nieuwe superresolutiesoftware ontwikkeld, genaamd SRINS, dat maakt het voor wetenschappers gemakkelijker om de dynamische eigenschappen van materialen beter te begrijpen met behulp van neutronenspectroscopie. Door neutronengegevens van meerdere detectoren te combineren via een speciaal algoritme, de software gebruikt meerdere metingen van dezelfde materiaaleigenschap vanuit verschillende perspectieven om onderzoekers te voorzien van resultaten met een tot vijf keer fijnere resolutie dan die geproduceerd met traditionele spectroscopiegegevensreductietechnieken.

"Met deze software we kunnen de resolutie van neutronenverstrooiingsgegevens gemeten in een direct-geometrie spectrometer met een factor vijf verbeteren zonder nieuwe hardware te installeren. Deze innovatie kan leiden tot meer ontwikkelingen waarbij gebruik wordt gemaakt van beeldverwerkingsonderzoek in neutronendatawetenschap voor de wereldwijde neutronenverstrooiingsgemeenschap, " zei Lin.

Neutronenspectroscopie is een neutronenverstrooiingstechniek die wordt gebruikt voor het detecteren en meten van energiesignaturen die voortkomen uit de interne dynamiek van het materiaal. Die handtekeningen geven wetenschappers een uniek inzicht in hoe materialen zich gedragen, vooral die met thermo-elektrische en magnetische eigenschappen. Wetenschappers kunnen deze informatie vervolgens gebruiken om nieuwe, geavanceerde materialen voor toekomstige toepassingen.

"De studie van dergelijke energiesignaturen is fundamenteel onderzoek, maar het is fundamenteel onderzoek met een doel. De gegevens die we verzamelen met neutronenspectroscopie kunnen een zinvolle bijdrage leveren aan zaken als kwantumcomputers en koelsystemen van de volgende generatie, ' zei Granrot.

Om het voor onderzoekers gemakkelijker te maken om de basis te leggen voor toekomstige wetenschappelijke prestaties, Islam, Lin, en Granroth werkte samen met collega's van ORNL's Computational and Applied Mathematics Group (CAM) om een ​​algoritme te creëren dat de resolutie van gegevens die met neutronenspectroscopie zijn geproduceerd aanzienlijk verbetert. Vervolgens, met behulp van de programmeertaal Python, ze hebben hun algoritme gecodificeerd in software die wetenschappers over de hele wereld op hun neutronenspectroscopie-instrumenten kunnen installeren.

"Het is maar een prototype, maar we hebben tot nu toe opmerkelijk succes gehad. Ter vergelijking, het zo sterk verbeteren van de gegevensresolutie door het installeren van nieuwe apparatuur zou veel grotere instrumenten vereisen die onhaalbaar zijn om te bouwen. Met deze software, we zijn in staat om hulpbronnen te sparen en toch drastische verbeteringen aan te brengen in onze neutronenspectroscopiemogelijkheden. En het heeft de potentie om de resolutie van veel neutronenverstrooiingsmetingen te verbeteren, niet alleen spectroscopie, ' zei Fahima.

"Oak Ridge is uniek in het feit dat we meerdere toonaangevende faciliteiten naast elkaar hebben. Het was echt opwindend om met mijn collega's te werken aan baanbrekende wetenschap zoals deze software, " zei Richard Archibald, een toegepast wiskundige met CAM die de islam hielp, Lin, en Granroth ontwikkelen de software.

Islam, Lin, en Granroth hopen dat hun nieuwe software niet alleen zal leiden tot nieuwe ontwikkelingen in geavanceerd materiaalonderzoek bij Oak Ridge, maar hebben ook een grote impact op het gebied van neutronenverstrooiing in het algemeen.

"Zo ver we weten, dit is het eerste gepubliceerde werk dat een toepassing van superresolutie op neutronen laat zien. We lopen voorop in een opwindende nieuwe trend die andere faciliteiten voor neutronenverstrooiing zal helpen hun eigen dataresolutie te verbeteren. " zei Lin.