Spin echo neutron spektroszkópia

A neutron spin echo spektroszkópia ( neutron spin echo vagy NSE English) egy spektroszkópiai technika , amelyet még 1972-ben javasolt Mezei Ferenc. A dedikált eszközök lehetővé teszik a viszonylag lassú jelenségek mikroszkopikus skálán történő tanulmányozását, jellemző időkkel akár néhány száz nanoszekundumig. Alkalmazását alapján három tengely spektrométer lehetővé teszi azt is, hogy javítsák az energia felbontás legalább két nagyságrenddel ( E nagyságrendű eV). Δ{\ displaystyle \ Delta}μ{\ displaystyle \ mu}

Általános koncepció

Alapvetően a technika Larmor mágneses momentum precesszióját használja a statikus indukciós mező irányában. A kérdéses pillanat a neutron által hordozott és az általa hordozott 1/2 spin által generált . A spin forgás szögfrekvenciáját a reláció adja

ω=2πγB{\ displaystyle \ omega = 2 \ pi \ gamma B},

ahol = 2916 Hz. G -1 a neutron magnetográfiai tényezője , az alkalmazott indukciós vektor normája. γ{\ displaystyle \ gamma}B{\ displaystyle B}

Tekintsük egy monokromatikus sebességű neutronnyaláb esetét . Ha olyan távolságot repülnek, ahol a mezőt alkalmazzák, a felhalmozott fázist az adja meg v{\ displaystyle v}l{\ displaystyle l}B{\ displaystyle B}

ϕ=γBlmλh{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ gamma Blm \ lambda} {h}}},

hol van a sebességgel társított hullámhossz , = 1,675. 10 -27 kg a neutron tömege és = 6,626. 10 -34 Js a Planck-állandó . Látható, hogy kellően magas értékek esetén a fázis mérése a hullámhossz pontos értékelését kínálja . Ez a tulajdonság a neutron spin echo spektroszkópia alapja. Valójában egy ilyen spektrométerben két minta azonos hosszúságú régióba történő behelyezéséről van szó, ahol azonos mágneses tér érvényesül, de ellentétes irányban. Megmutathatjuk, hogy a készülék kimenetén mért teljes fázis ki van írva λ{\ displaystyle \ lambda}v{\ displaystyle v}m{\ displaystyle m}h{\ displaystyle h}Bl{\ displaystyle Bl}ϕ{\ displaystyle \ phi}λ{\ displaystyle \ lambda}

ϕ=γBlv=γBlmh . (λ1-λ2){\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ gamma Bl} {v}} = {\ frac {\ gamma Blm} {h}} ~. ~ \ balra (\ lambda _ {1} - \ lambda _ {2} \ jobb)}

ahol a "-" jel abból adódik, hogy a két mágneses mező ellentétes irányba mutat, és a neutron hullámhossza a mintával való kölcsönhatás előtt és után. Ha a neutronok nem cserélnek energiát a mintával, akkor tegyék meg . Ellenkező esetben megmutathatjuk, hogy a beeső neutronok kinetikus energiájához képest a gyenge energiaátadások határán belül van λ1,2{\ displaystyle \ lambda _ {1,2}}λ1=λ2{\ displaystyle \ lambda _ {1} = \ lambda _ {2}}ϕ=0{\ displaystyle \ phi = 0}ℏω{\ displaystyle \ hbar \ omega}

ϕ=γBlm2λ3ω2πh2=ω . τNEMSE{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ gamma Blm ^ {2} \ lambda ^ {3} \ omega} {2 \ pi h ^ {2}}} = \ omega ~. ~ \ tau _ {NSE}}

hol van a spin-visszhang (vagy Fourier) idő egy olyan instrumentális paraméter, amely ebben az esetben megadja a mérték időbeli felbontását. Ennek köbös függősége van . Ezért a lehető leghidegebb neutronokkal kívánunk dolgozni . τNEMSE{\ displaystyle \ tau _ {NSE}}λ{\ displaystyle \ lambda}

A mérés elve

A gyakorlatban a neutron spin echo spektrométer (a neutron útjának irányában, azaz a forrástól a detektorig):

• sebességválasztó, spirálszárnyú rotor, abszorbens anyaggal bélelve, amely megközelítőleg monokromatikus nyalábot eredményez ( 10 és 20% között),Δλ/λ0{\ displaystyle \ Delta \ lambda / \ lambda _ {0}}
• egy polarizátor (általában alapuló szuper tükrök ), amely lehetővé teszi, hogy kiszűrje az adott centrifugálás állam a neutronok elutasította a másik (a gyakorlatban a gerenda polarizált 90-95% eléréséig),
• flippergép, amely lehetővé teszi az incidens polarizációjának a precessziós mezőre merőleges igazítását,π/2{\ displaystyle \ pi / 2}
• egy első precessziós mágnesszelep,
• korrekciós tekercsek sora a zóna körül, ahol a minta található, lehetővé téve a neutronok kezdeti fázisának megőrzését, és így megakadályozva annak módosítását a megfigyelt interakción kívül,
• egy második precessziós mágnesszelep,
• egy második flippergép a gerenda előkészítésére az elemzéshez,π/2{\ displaystyle \ pi / 2}
• a polarizátorhoz hasonló analizátor,
• és végül egy neutron detektor.

A mért mennyiség a nyaláb végleges polarizációja, amelyet írnak

P=⟨kötözősaláta⁡ϕ⟩=∫kötözősaláta⁡(ω.τNEMSE)f(ω)dω{\ displaystyle P = \ langle \ cos \ phi \ rangle = \ int \ cos \ left (\ omega. \ tau _ {NSE} \ right) f \ left (\ omega \ right) d \ omega}

hol van a lehetséges energiaátadások elosztási függvénye. A neutronszórásban ezt a függvényt írják, és diffúziós függvénynek vagy dinamikus szerkezeti tényezőnek nevezik . Így az előző egyenletben felismerjük ennek a diffúziós függvénynek a Fourier-transzformációjának valós részét . f(ω){\ displaystyle f \ bal (\ omega \ jobb)}S(ω){\ displaystyle S \ bal (\ omega \ jobb)}

Ha például egy lorentzi típusú profilt mutat beS(ω){\ displaystyle S \ bal (\ omega \ jobb)}

S(ω)=1π⋅ΓΓ2+ω2{\ displaystyle S \ left (\ omega \ right) = {\ frac {1} {\ pi}} \ cdot {\ frac {\ Gamma} {\ Gamma ^ {2} + \ omega ^ {2}}}} ,

tehát megkapjuk

P=exp⁡(-Γ.τNEMSE){\ displaystyle P = \ exp \ bal (- \ Gamma. \ tau _ {NSE} \ jobb)} ,

vagy exponenciális csökkenés. A polarizáció mérése a vizsgált jelenséghez kapcsolódó jellegzetes időre vonatkozó információk függvényében (például a folyadékban lévő molekulák forgási sebessége, a spin ingadozásának ideje, a fonon élettartama stb. ). P{\ displaystyle P}τNEMSE{\ displaystyle \ tau _ {NSE}}τ0=1/Γ{\ displaystyle \ tau _ {0} = 1 / \ Gamma}

Alapkutatási alkalmazások

• Különböző típusú és méretű rendszerek jellemző ingadozásainak időmérése: spin-dinamika mágneses rendszerekben, makromolekulák feltérképezése, diffúziós mechanizmusok folyadékokban stb.
• Az egykristályok vagy porok hálóparamétereinek variációjának pontos meghatározása egy adott külső kényszer (hőmérséklet, nyomás stb. ) Függvényében . Ezt hívják Larmor-diffrakciónak .

Példák műszerekre

• Az Institut Laue-Langevinben (Grenoble, Franciaország): IN11 , IN15 , IN22 / ZETA , WASP
• A Léon Brillouin Laboratóriumban (Gif sur Yvette, Franciaország): MUSES
• (en) A Maier-Leibnitz Zentrum (Garching bei München, Németország): J-NSE , RESEDA , TRISP
• (en) A Helmoltz-Zentrum Berlinnél (Berlin, Németország): V2 / FLEXX
• (en) A Neutron Source Spallationnál (Oak Ridge, USA): NSE
• (in) J-Parcban (Ibaraki, Japán): ROSE WINE (építés alatt)

Bibliográfia

• Mezei F., Neutron spin visszhang - Új koncepció a polarizált termikus neutron technikákban , Zeit. Phys. 255 (1972) 146
• F. Mezei (szerk.), Neutron Spin Echo , Előadási jegyzetek a fizikában 128 (1979)
• F. Mezei, C. Pappas és T. Gutberlet (szerk.), Neutron Spin Echon spektroszkópia: alapok, trendek és alkalmazások , Előadások a fizikában 601 (2003)
• T. Keller, B. Golub és R. Gähler, Neutron Spin Echo - Nagy felbontású neutronszórás technikája , [1]