Bessere Neutronenspiegel können die inneren Geheimnisse der Materie enthüllen

Verbesserte Neutronenspiegel können die Effizienz der Materialanalyse in Neutronenquellen wie der Europäischen Spallationsquelle steigern. Der verbesserte Spiegel wurde von Forschern der Universität Linköping entwickelt, indem eine Siliziumplatte mit extrem dünnen Schichten aus Eisen und Silizium, gemischt mit Borkarbid, bedeckt wurde. Ihre Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftler machen Fortschritte.

„Anstatt die Leistung der Neutronenquelle zu erhöhen, was extrem teuer ist, ist es besser, sich auf die Verbesserung der Optik zu konzentrieren“, erklärt Fredrik Eriksson, Forscher in der Abteilung für Dünnschichtphysik der Universität Linköping.

Neutronen bilden zusammen mit Protonen Atomkerne. Abhängig von der Anzahl der Neutronen in einem Kern können die Eigenschaften des Elements unterschiedlich sein. Darüber hinaus können Neutronen auch zur detaillierten Analyse unterschiedlicher Materialien eingesetzt werden. Diese Methode wird Neutronenstreuung genannt.

Diese Messungen werden in speziellen Neutronenforschungslaboren, sogenannten Neutronenquellen, durchgeführt. Eines dieser Labore, die European Spallation Source (ESS), befindet sich derzeit außerhalb von Lund im Bau. Das ist eine Investition von 2 Milliarden Euro.

Das ESS und andere Neutronenquellen können mit fortschrittlichen Mikroskopen verglichen werden, die es Wissenschaftlern ermöglichen, verschiedene Materialien und ihre Eigenschaften bis auf die atomare Ebene zu untersuchen. Sie werden in allen Bereichen eingesetzt, von der Untersuchung atomarer Strukturen, der Materialdynamik und des Magnetismus bis hin zu den Funktionen von Proteinen.

Die Freisetzung von Neutronen aus Atomkernen erfordert enorme Energiemengen. Wenn Neutronen in die Neutronenquelle abgegeben werden, müssen sie eingefangen und auf ihr Ziel, also das zu untersuchende Material, gerichtet werden. Zur Lenkung und Polarisation der Neutronen werden spezielle Spiegel eingesetzt. Dies nennt man Neutronenoptik.

Obwohl die ESS über die leistungsstärkste Neutronenquelle der Welt verfügen wird, wird die Anzahl der für die Experimente verfügbaren Neutronen begrenzt sein. Um die Zahl der Neutronen, die die Instrumente erreichen, zu erhöhen, sind verbesserte Polarisationsoptiken erforderlich. Dies ist ein Ziel, das Forscher der Universität Linköping erreicht haben, indem sie die Neutronenoptik in mehreren wichtigen Punkten verbessert haben, um ihre Effizienz zu steigern.

„Unsere Spiegel haben ein besseres Reflexionsvermögen, wodurch die Anzahl der Neutronen, die ihr Ziel erreichen, steigt. Außerdem kann der Spiegel Neutronen viel besser in den gleichen Spin polarisieren, was für polarisierte Experimente wichtig ist“, erklärt Anton Zubayer, Doktorand am Fachbereich Physik , Chemie und Biologie und Hauptautor von Wissenschaftler machen Fortschritte Artikel.

Er fährt fort: „Da hierfür kein großer Magnet mehr erforderlich ist, kann der Spiegel außerdem näher an Proben oder anderen empfindlichen Geräten platziert werden, ohne die Proben selbst zu beeinträchtigen, was neue Arten von Experimenten ermöglicht.“ Darüber hinaus haben wir auch die diffuse Streuung reduziert, wodurch wir das Hintergrundrauschen bei den Messungen reduzieren können.“

Die Spiegel werden auf einem Siliziumsubstrat hergestellt. Durch einen Prozess namens Magnetronsputtern ist es möglich, das Substrat mit ausgewählten Elementen zu beschichten. Dieses Verfahren ermöglicht die Beschichtung mit mehreren dünnen Schichten übereinander, also einer Mehrschichtfolie.

Dabei kommen Eisen- und Siliziumfilme zum Einsatz, gemischt mit isotopenangereichertem Borcarbid. Wenn die Dicke der Schichten in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der Neutronen liegt und die Grenzfläche zwischen den Schichten sehr glatt ist, können die Neutronen den Spiegel in Phase zueinander verlassen, was zu einem hohen Reflexionsvermögen führt.

Fredrik Eriksson glaubt, dass jedes Neutron kostbar ist und jede kleine Verbesserung der Effizienz der Neutronenoptik für die Verbesserung von Experimenten wertvoll ist.

„Durch die Erhöhung der Neutronenzahl und auch die Reflexion höherer Neutronenenergien eröffnen sich Möglichkeiten für bahnbrechende Experimente und bahnbrechende Entdeckungen in Disziplinen wie Physik, Chemie, Biologie und Medizin“, erklärt Fredrik Eriksson.

Die Neutronenanalyse nutzt die Fähigkeit von Neutronen, sich sowohl als Welle als auch als Teilchen zu verhalten. Diese Neutronen wiederum können zwei unterschiedliche Spins haben. Insbesondere für magnetische Untersuchungen ist es wichtig, polarisierte Neutronen, also Neutronen mit einem einzigen spezifischen Spin, verwenden zu können.