_ Oglinzi cu neutroni mai bune pot dezvăluie secretele interioare ale materiei

Oglinzile cu neutroni îmbunătățite pot crește eficiența analizei materialelor în surse de neutroni precum Sursa Europeană de Spalație. Oglinda îmbunătățită a fost dezvoltată de cercetătorii de la Universitatea Linköping prin acoperirea unei plăci de siliciu cu straturi extrem de subțiri de fier și siliciu amestecate cu carbură de bor. Studiul lor a fost publicat în revista Science Advances.

„În loc să creștem puterea sursei de neutroni, care este extrem de costisitoare, este mai bine să ne concentrăm pe îmbunătățirea opticii”, spune Fredrik Eriksson, cercetător la Divizia de fizică a filmelor subțiri de la Universitatea Linköping.

Împreună cu protonii, neutronii formează nuclee atomice. În funcție de numărul de neutroni dintr-un nucleu, proprietățile elementului pot diferi. În plus, neutronii pot fi folosiți și pentru a analiza diferite materiale la un nivel foarte detaliat. Această metodă se numește împrăștiere a neutronilor.

Asemenea măsurători sunt efectuate la laboratoare speciale de cercetare a neutronilor numite surse de neutroni. Un astfel de laborator, European Spallation Source, sau ESS, este acum construit în afara Lund. Aceasta este o investiție de 2 miliarde EUR.

SSE și alte surse de neutroni pot fi comparate cu microscoape avansate care permit oamenilor de știință să investigheze diferite materiale și proprietățile acestora până la nivel atomic. Ele sunt folosite în orice, de la studiul structurilor atomice, dinamicii materialelor și magnetismului, până la funcțiile proteinelor.

Este nevoie de cantități enorme de energie pentru ca neutronii să fie eliberați din nucleele atomice. Când neutronii sunt eliberați în sursa de neutroni, ei trebuie să fie capturați și direcționați către ținta lor, adică materialul care trebuie investigat. Oglinzile speciale sunt folosite pentru a direcționa și polariza neutronii. Acestea sunt cunoscute sub numele de optică neutronică.

Deși ESS va avea cea mai puternică sursă de neutroni din lume, numărul de neutroni disponibili în experimente va fi limitat. Pentru a crește numărul de neutroni care ajung la instrumente, este necesară o optică de polarizare îmbunătățită. Acesta este un lucru pe care cercetătorii de la Universitatea Linköping l-au realizat acum prin îmbunătățirea opticii neutronilor în mai multe puncte importante pentru a crește eficiența.

„Oglinzile noastre au o reflexie mai bună, ceea ce crește numărul de neutroni care își ating ținta. Oglinda poate de asemenea, polarizează neutronii în același spin mult mai bine, ceea ce este important pentru experimentele polarizate”, spune Anton Zubayer, doctorand la Departamentul de Fizică, Chimie și Biologie și autor principal al articolului Science Advances.

El continuă: „De asemenea, deoarece acest lucru nu mai necesită un magnet mare, oglinda poate fi plasată mai aproape de eșantioane sau de alte echipamente sensibile fără a afecta probele în sine, ceea ce, la rândul său, permite noi tipuri de experimente. În plus, am redus, de asemenea, împrăștierea difuză, ceea ce înseamnă că putem reduce zgomotul de fond în măsurători.”

Oglinzile sunt fabricate pe un substrat de siliciu. Printr-un proces numit magnetron sputtering, este posibil să acoperiți substratul cu elemente selectate. Acest proces face posibilă acoperirea acestuia cu mai multe filme subțiri una peste alta, adică o peliculă multistrat.

În acest caz, se folosesc filme de fier și siliciu, amestecate cu carbură de bor îmbogățită cu izotop. Dacă grosimile straturilor sunt de același ordin de mărime ca și lungimea de undă a neutronilor, iar interfața dintre straturi este foarte netedă, neutronii pot ieși din oglindă în fază unul cu celălalt, dând o reflectivitate ridicată.

Fredrik Eriksson crede că fiecare neutron este prețios și fiecare mică îmbunătățire a eficienței opticii neutronilor este valoroasă pentru a îmbunătăți experimentele.

„Prin creșterea numărului de neutroni și, de asemenea, reflectând energii mai mari de neutroni, se deschid oportunități pentru experimente de pionierat și descoperiri inovatoare în discipline, inclusiv fizică, chimie, biologie și medicină”, spune Fredrik Eriksson.

Analiza neutronilor folosește capacitatea neutronilor de a se comporta atât ca undă, cât și ca particule. Acești neutroni, la rândul lor, pot avea două rotiri diferite. Este important în principal pentru studiile magnetice să poată folosi neutroni polarizați, adică neutroni cu un singur spin specific.

(Fluierul)