Het begrijpen van magnetisme op het meest fundamentele niveau is van vitaal belang voor het ontwikkelen van krachtigere elektronica, maar materialen met complexere magnetische structuren vereisen complexere hulpmiddelen om ze te bestuderen - krachtige hulpmiddelen die eenvoudigweg 'neutronen' worden genoemd.

Twee van 's werelds krachtigste bronnen voor neutronenverstrooiing in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE's) krijgen upgrades. Door een geavanceerde mogelijkheid toe te voegen, sferische neutronenpolarimetrie genaamd, kunnen onderzoekers die ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR) en Spallation Neutron Source (SNS) gebruiken, metingen doen van materialen met exotische magnetische structuren en kwantumtoestanden die voorheen ontoegankelijk waren in de Verenigde Staten.

"Neutronen zijn ideaal voor het bestuderen van magnetische verschijnselen, ", zegt ORNL-postmasteronderzoeker Nicolas Silva. "Ze zijn elektrisch neutraal, of hebben geen kosten, en vertonen magnetische momenten, waardoor ze zelf als kleine magneten worden."

Wanneer neutronen door een materiaal gaan en magnetische velden verstrooien die worden gegenereerd door de atomen van een materiaal, ze schilderen een atomair portret of zelfs een 3D-model van de atomaire rangschikking van het materiaal en onthullen hoe de atomen in het systeem zich gedragen.

Neutronen hebben een "spin, " of oriëntatie, zoals de noord- en zuidpool van koelkastmagneten. In een typische neutronenbundel, de neutronen in de bundel hebben spins die willekeurig zijn gerangschikt. Het meten van bepaalde zeer dynamische of complexe magnetische systemen, echter, vraagt ​​om meer uniformiteit, die wordt geleverd door een gepolariseerde neutronenbundel waarin elke neutronenspin parallel en met dezelfde oriëntatie is uitgelijnd.

"Neutronenpolarisatiefilters stellen ons in staat om door de dingen heen te kijken die we niet willen zien en die het signaal waarin we geïnteresseerd zijn kunnen vertroebelen, "Zei instrumentwetenschapper Barry Winn. "Vergelijkbaar met hoe vissers met gepolariseerde lenzen vissen kunnen zien zwemmen die anders zouden worden geblokkeerd door de weerspiegeling van het water."

Neutronen zullen hun spins op voorspelbare manieren veranderen wanneer ze zich verspreiden. Door een gepolariseerde straal te gebruiken, kunnen onderzoekers beter begrijpen wat er in een materiaal gebeurt door de neutronenspin vóór en meten van de neutronenspin nadat de straal het monster raakt. Bijvoorbeeld, de spin van een neutron kan tijdens verstrooiing in de tegenovergestelde richting worden gedraaid.

"In de VS, de meeste metingen die we tot nu toe met gepolariseerde neutronen hebben gedaan, waren gebaseerd op de vraag of het neutron, na verstrooid te zijn door het materiaal of zijn magnetische veld, wordt 180 graden gedraaid of behoudt zijn oriëntatie. We noemen dat spin-flip en non-spin-flip, " zei Winne.

"Maar daar is een probleem mee. Als we verstrooiing van het monster krijgen dat iets anders is dan een non-spin-flip of spin-flip - of iets anders dan 0 en 180 graden - dan ontploft de strategie in ons gezicht."

De strategie werkt goed voor conventionele magnetische materialen zoals ferromagneten en antiferromagneten, waarin alle magnetische atomen in dezelfde richting of in afwisselende richtingen wijzen, maar blijven parallel aan hun buren. Echter, de strategie werkt niet voor complexere magnetische structuren.

Bijvoorbeeld, de techniek is beperkt als het gaat om het onderzoeken van exotische deeltjes zoals skyrmionen - quasi-deeltjes die chirale beweging vertonen, of verwarde draaikolken, of draaikolken van asymmetrische veldlijnen. Dergelijke deeltjes bieden een opwindend potentieel voor materialen die worden gebruikt in geavanceerde gegevensopslag en kwantumcomputertoepassingen.

Om het probleem aan te pakken, polarisatiewetenschapper Peter Jiang leidt een ORNL-team, waaronder Winn en Silva, in een laboratoriumgericht onderzoeks- en ontwikkelingsproject om sferische neutronenpolarimetrie voor meerdere ORNL-bundellijnen te ontwikkelen. De technologie zal neutronenmetingen mogelijk maken van materialen die niet voldoen aan de traditionele spin-flip en non-spin-flip domeinen, of, met andere woorden, zal onderzoekers in staat stellen om het dynamische magnetische gedrag dat daartussen bestaat te zien.

"De traditionele technieken zijn niet geavanceerd genoeg om bepaalde complexe magnetische systemen te bestuderen, "zei Jiang. "Nu, we zijn niet langer beperkt tot spin-flips. Hierdoor kunnen we kijken naar magnetische arrangementen die we eerder niet konden achterhalen."

Sferische neutronenpolarimetrie is gebruikt in Europa, en nu passen Jiang en het ORNL-team de technologie aan op instrumenten bij SNS en HFIR. Ze bouwen de technologie op basis van doorlopend onderzoek uitgevoerd door Tianhao Wang, eerst als afgestudeerde student aan de Indiana University, Bloomington, en later als postdoctoraal onderzoek in het ORNL-team.

De basistechnologie omvat extra optische apparaten die zijn geïnstalleerd op zowel de inkomende straal die het monster raakt - de invallende straal - als de uitgaande straal die erop wordt verstrooid, waarmee metingen van verstrooide neutronen in elke richting mogelijk zijn. De ORNL-technologie bouwt voort op eerdere prototype-ontwerpen en zal verschillende innovaties bieden.

Met de ORNL sferische neutronenpolarimetrie-apparaten, het traject van de verstrooide bundel hoeft niet in lijn te zijn met de invallende bundel, maar kan in plaats daarvan onder een hoek rond het monster worden geplaatst.

"Dat betekent dat als het neutron geen volledige salto maakt, we kunnen het veld aan de andere kant aanpassen, of beweeg het apparaat om neutronenverstrooiing in verschillende richtingen te detecteren, ’ legde Silva uit.

Het team ontwikkelde ook twee onafhankelijke koelsystemen om onderzoekers in staat te stellen te bestuderen hoe magnetische structuren veranderen als een functie van temperatuur. Het eerste systeem koelt twee bolvormige neutronenpolarisatiecomponenten aan weerszijden van het monster om ze supergeleidend te maken. Het tweede systeem introduceert een extra cryostaat met de mogelijkheid om automatisch vloeibaar helium bij te vullen, waardoor onderzoekers gemakkelijker materialen kunnen onderzoeken bij verschillende temperaturen zonder de temperaturen te verstoren die nodig zijn voor supergeleiding in het eerste systeem.

Eindelijk, de bolvormige neutronenpolarimetrie-apparaten zijn gemaakt met efficiëntere materialen. Terwijl eerdere ontwerpen niobium gebruiken voor de supergeleidende platen, het nieuwe ontwerp maakt gebruik van een yttrium-barium-koperoxide (YBCO) dat supergeleidt bij 93 Kelvin (-292° F), een aanzienlijk hogere temperatuur dan zijn niobium-voorganger. Aanvullend, de supergeleidende films zijn gekoppeld aan Mu-metaaljukken die samen alle andere magnetische velden afschermen en een nulveld rond het monster creëren om de spins van de materialen in hun natuurlijke staat te bestuderen.

"Het bereiken van supergeleiding vereist een aanzienlijke hoeveelheid koelvermogen. Niobium moet worden gekoeld tot onder 10 K om supergeleiding te behouden, dus de Europese ontwerpen vereisten uitgebreide koelsystemen die vaak handmatig moesten worden bijgevuld met vloeibaar helium, " zei Jiang.

"Met de YBCO-films op hoge temperatuur, we kunnen een eentraps koelkast met gesloten cyclus gebruiken om de film tot ver onder de kritische temperatuur af te koelen, dus we maken ons geen zorgen over enig verlies in supergeleiding. En, met het toegevoegde vloeibare helium autofill systeem voor de cryostaat en het koelsysteem met gesloten cyclus, het apparaat zal gebruiksvriendelijker en efficiënter zijn."

Bovendien, het systeem is compact in vergelijking met eerdere systemen - de hoge-temperatuur-supergeleiders die de noodzaak van een groot koelsysteem tenietdoen, maken het mobiel.

"Als iets, er is een bewijs van hoe draagbaar het apparaat is. We hebben het verplaatst naar de kernreactor van de Universiteit van Missouri, dan terug naar HFIR, en van HFIR naar SNS, " zei Silva. "Ik heb het meerdere keren in elkaar gezet en uit elkaar gehaald, en elke keer heb ik eenvoudigere manieren gevonden om de stukken met elkaar te verbinden - slechts kleine veranderingen in de kwaliteit van leven die we maken om het nut ervan te vergroten."

Het systeem is met succes getest, waarbij volledige polarisatiemetingen werden gedaan met behulp van verschillende bekende materialen, waaronder silicium, mangaan-oxide, en bismut-ijzeroxide.

Het team is van plan het systeem te implementeren bij HFIR's PTAX drie-assige spectrometer en de GP-SANS diffractometer, die zal worden geoptimaliseerd voor de stationaire neutronenbundel van de reactor, met volledige capaciteiten verwacht tegen eind 2020.

Vervolgens, het team zal een soortgelijk sferisch neutronenpolarimetrieapparaat exclusief voor het HYSPEC-instrument bij SNS ontwikkelen, waardoor het het enige instrument ter wereld wordt dat een superspiegelarray en groothoekmogelijkheden koppelt. Het apparaat zal ook profiteren van de unieke mogelijkheden die mogelijk worden gemaakt door de SNS pulsed-source accelerator.

"Ondertussen, " zei Win, "we krijgen een werkpaard in PTAX dat ons van onze sokken zal blazen."