Khoa Khoa học Ứng dụng

Gương neutron tốt hơn có thể tiết lộ bí mật bên trong của vật chất

Khái niệm điều chỉnh SLD và thực hiện quang học neutron phân cực cải tiến. Nguồn: Tiến bộ khoa học (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adl0402

Gương neutron được cải tiến có thể tăng hiệu quả phân tích vật liệu trong các nguồn neutron như Nguồn nứt vỡ châu Âu. Chiếc gương cải tiến đã được các nhà nghiên cứu tại Đại học Linköping phát triển bằng cách phủ một tấm silicon bằng các lớp sắt và silicon cực mỏng trộn với boron cacbua. Nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Science Advances .

Fredrik Eriksson, nhà nghiên cứu tại Khoa Vật lý Màng mỏng tại Đại học Linköping, cho biết: “Thay vì tăng công suất trên nguồn neutron cực kỳ tốn kém, tốt hơn nên tập trung vào cải thiện quang học”.

Cùng với proton, neutron tạo thành hạt nhân nguyên tử. Tùy thuộc vào số lượng neutron trong hạt nhân, tính chất của nguyên tố này có thể khác nhau. Ngoài ra, neutron còn có thể được sử dụng để phân tích các vật liệu khác nhau ở mức độ rất chi tiết. Phương pháp này được gọi là tán xạ neutron.

Các phép đo như vậy được thực hiện tại các phòng thí nghiệm nghiên cứu neutron đặc biệt gọi là nguồn neutron. Một phòng thí nghiệm như vậy, European Spallation Source, hay ESS, hiện đang được xây dựng bên ngoài Lund. Đây là khoản đầu tư trị giá 2 tỷ EUR.

ESS và các nguồn neutron khác có thể được so sánh với kính hiển vi tiên tiến cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các vật liệu khác nhau và tính chất của chúng ở cấp độ nguyên tử. Chúng được sử dụng trong mọi lĩnh vực, từ nghiên cứu cấu trúc nguyên tử, động lực học vật liệu và từ tính cho đến chức năng của protein.

Nó đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ để giải phóng neutron khỏi hạt nhân nguyên tử. Khi neutron được giải phóng trong nguồn neutron, chúng phải bị bắt giữ và hướng tới mục tiêu của chúng, tức là vật liệu cần nghiên cứu. Những tấm gương đặc biệt được sử dụng để định hướng và phân cực neutron. Chúng được gọi là quang học neutron.

Mặc dù ESS sẽ có nguồn neutron mạnh nhất thế giới nhưng số lượng neutron có được trong các thí nghiệm sẽ bị hạn chế. Để tăng số lượng neutron tới được các thiết bị, cần phải cải thiện quang học phân cực. Đây là điều mà các nhà nghiên cứu từ Đại học Linköping hiện đã đạt được bằng cách cải thiện quang học neutron ở một số điểm quan trọng để tăng hiệu suất.

Anton Zubayer, nghiên cứu sinh tại Khoa Khoa học, cho biết: “Gương của chúng tôi có khả năng phản xạ tốt hơn, làm tăng số lượng neutron chạm tới mục tiêu của chúng. Gương cũng có thể phân cực các neutron thành cùng một spin tốt hơn nhiều, điều này rất quan trọng đối với các thí nghiệm phân cực”. Vật lý, Hóa học và Sinh học và là tác giả chính của bài báo Tiến bộ khoa học .

Ông tiếp tục, "Ngoài ra, vì điều này không còn cần đến nam châm lớn nữa nên gương có thể được đặt gần các mẫu hơn hoặc các thiết bị nhạy cảm khác mà không ảnh hưởng đến bản thân các mẫu, từ đó cho phép thực hiện các loại thí nghiệm mới. Ngoài ra, chúng tôi cũng đã giảm bớt tán xạ khuếch tán, có nghĩa là chúng ta có thể giảm nhiễu nền trong các phép đo."

Gương được sản xuất trên nền silicon. Thông qua một quá trình gọi là phún xạ magnetron, có thể phủ lên bề mặt các phần tử đã chọn. Quá trình này giúp có thể phủ lên nó một số màng mỏng chồng lên nhau, tức là màng nhiều lớp.

Trong trường hợp này, màng sắt và silicon được sử dụng, trộn với boron cacbua được làm giàu đồng vị. Nếu độ dày của lớp có cùng độ lớn với bước sóng neutron và giao diện giữa các lớp rất trơn tru thì các neutron có thể thoát ra khỏi gương cùng pha với nhau, cho độ phản xạ cao.

Fredrik Eriksson tin rằng mọi neutron đều quý giá và mọi cải tiến nhỏ về hiệu suất của quang học neutron đều có giá trị để cải thiện các thí nghiệm.

Fredrik Eriksson cho biết: “Bằng cách tăng số lượng neutron và cũng phản xạ năng lượng neutron cao hơn, cơ hội được mở ra cho các thí nghiệm tiên phong và những khám phá mang tính đột phá trong các ngành bao gồm vật lý, hóa học, sinh học và y học”.

Phân tích neutron sử dụng khả năng của neutron hoạt động ở cả dạng sóng và hạt. Ngược lại, những neutron này có thể có hai spin khác nhau. Điều quan trọng chủ yếu đối với các nghiên cứu từ tính là có thể sử dụng neutron phân cực, tức là neutron chỉ có một spin cụ thể.