Verbeterde neutronenspiegels kunnen de efficiëntie van materiaalanalyse in neutronenbronnen zoals de European Spallation Source vergroten. De verbeterde spiegel is ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Linköping door een siliciumplaat te coaten met extreem dunne lagen ijzer en silicium gemengd met boorcarbide. Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

"In plaats van het vermogen van de neutronenbron te vergroten, wat extreem duur is, is het beter om je te concentreren op het verbeteren van de optica", zegt Fredrik Eriksson, onderzoeker bij de Thin Film Physics Division van de Universiteit van Linköping.

Neutronen vormen samen met protonen atoomkernen. Afhankelijk van het aantal neutronen in een kern kunnen de eigenschappen van het element verschillen. Daarnaast kunnen neutronen ook worden gebruikt om verschillende materialen op zeer gedetailleerd niveau te analyseren. Deze methode wordt neutronenverstrooiing genoemd.

Dergelijke metingen worden uitgevoerd in speciale neutronenonderzoekslaboratoria, de zogenaamde neutronenbronnen. Eén zo'n laboratorium, de European Spallation Source, of ESS, wordt nu buiten Lund gebouwd. Het gaat om een ​​investering van 2 miljard euro.

De ESS en andere neutronenbronnen kunnen worden vergeleken met geavanceerde microscopen waarmee wetenschappers verschillende materialen en hun eigenschappen tot op atomair niveau kunnen onderzoeken. Ze worden bij alles gebruikt, van het bestuderen van atomaire structuren, materiaaldynamica en magnetisme tot de functies van eiwitten.

Er zijn enorme hoeveelheden energie nodig voordat de neutronen uit de atoomkernen vrijkomen. Wanneer de neutronen vrijkomen in de neutronenbron, moeten ze worden opgevangen en naar hun doel, dat wil zeggen het te onderzoeken materiaal, worden gericht. Speciale spiegels worden gebruikt om de neutronen te richten en te polariseren. Deze staan ​​bekend als neutronenoptica.

Hoewel de ESS over de krachtigste neutronenbron ter wereld zal beschikken, zal het aantal neutronen dat beschikbaar is in de experimenten beperkt zijn. Om het aantal neutronen dat de instrumenten bereikt te vergroten, zijn verbeterde polariserende optica vereist. Dit is iets dat onderzoekers van de Universiteit van Linköping nu hebben bereikt door de neutronenoptica op verschillende belangrijke punten te verbeteren om de efficiëntie te verhogen.

“Onze spiegels hebben een betere reflectie, waardoor het aantal neutronen dat hun doel bereikt toeneemt. De spiegel kan de neutronen ook veel beter polariseren in dezelfde spin, wat belangrijk is voor gepolariseerde experimenten”, zegt Anton Zubayer, promovendus bij de afdeling Natuurkunde, scheikunde en biologie en hoofdauteur van de Science Advances artikel.

Hij vervolgt:“Omdat hiervoor niet langer een grote magneet nodig is, kan de spiegel dichter bij de monsters of andere gevoelige apparatuur worden geplaatst zonder de monsters zelf te beïnvloeden, wat op zijn beurt nieuwe soorten experimenten mogelijk maakt. Bovendien hebben we ook de de diffuse verstrooiing, waardoor we achtergrondgeluiden in de metingen kunnen verminderen."

De spiegels zijn vervaardigd op een siliciumsubstraat. Via een proces dat magnetronsputteren wordt genoemd, is het mogelijk om het substraat te coaten met geselecteerde elementen. Dit proces maakt het mogelijk om meerdere dunne films op elkaar te leggen, d.w.z. een meerlaagse film.

In dit geval worden ijzer- en siliciumfilms gebruikt, gemengd met isotopisch verrijkt boorcarbide. Als de laagdikten van dezelfde orde van grootte zijn als de neutronengolflengte, en het grensvlak tussen de lagen erg glad is, kunnen de neutronen de spiegel in fase met elkaar verlaten, wat een hoge reflectiviteit oplevert.

Fredrik Eriksson gelooft dat elk neutron kostbaar is en dat elke kleine verbetering in de efficiëntie van de neutronenoptica waardevol is om de experimenten te verbeteren.

"Door het aantal neutronen te vergroten en ook hogere neutronenenergieën te weerspiegelen, worden kansen geopend voor baanbrekende experimenten en baanbrekende ontdekkingen in verschillende disciplines, waaronder natuurkunde, scheikunde, biologie en geneeskunde", zegt Fredrik Eriksson.

Neutronenanalyse maakt gebruik van het vermogen van neutronen om zich zowel als golf als als deeltje te gedragen. Deze neutronen kunnen op hun beurt twee verschillende spins hebben. Het is vooral voor magnetische studies belangrijk om gepolariseerde neutronen te kunnen gebruiken, dat wil zeggen neutronen met slechts één specifieke spin.

Meer informatie: Anton Zubayer et al, Reflecterende, polariserende en magnetisch zachte amorfe neutronenoptiek met 11 B-verrijkte B 4 C, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0402

Aangeboden door Linköping Universiteit