Du kan inte se bra utan linser som kan fokusera, oavsett om dessa linser sitter i ditt öga eller mikroskopet du tittar igenom. Ett innovativt nytt sätt att fokusera strålar av neutroner kan tillåta forskare att undersöka interiören av ogenomskinliga föremål i ett storleksintervall som de tidigare var blinda för, låter dem utforska insidan av föremål från meteoriter till banbrytande tillverkade material utan att skada dem.

Metoden, publiceras idag i Fysiska granskningsbrev , skulle kunna omvandla det som historiskt har varit ett stödverktyg för neutronvetenskap till en fullfjädrad skanningsteknik som kan avslöja detaljer som sträcker sig i storlek från 1 nanometer upp till 10 mikrometer i större föremål. Tillvägagångssättet ger detta verktyg, känd som neutroninterferometri, med vad som i huvudsak är dess första rörliga "linser" som kan zooma in och ut på detaljer i det här storleksintervallet – ett område som har varit svårt att undersöka, även med andra neutronskanningsmetoder.

Mer exakt, dessa "linser" är kiselskivor som fungerar som diffraktionsgitter, som drar fördel av neutronernas vågliknande egenskaper. Gittren delas och omdirigerar en neutronstråle så att vågorna studsar mot ett föremåls kanter och sedan kolliderar med varandra, skapa ett synligt moiré-interferensmönster som är representativt för objektet som är lätt för experter att tolka.

Metoden har utvecklats av ett team av forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST), National Institutes of Health (NIH), och Kanadas University of Waterloo. Enligt NIST:s Michael Huber, tillvägagångssättet skulle kunna göra neutroninterferometri till ett av de bästa utforskande verktygen i en materialforskares kit.

"Vi kan titta på struktur på många olika nivåer och i olika skalor, sa Huber, en fysiker med NIST:s Physical Measurement Laboratory som genomför experiment vid NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Den kan komplettera andra skanningstekniker eftersom dess upplösning är så bra. Den har en dramatisk förmåga att fokusera, och vi är inte begränsade till att titta på tunna skivor av material som med andra metoder - vi kan lätt titta in i en tjock stenbit."

Interferometri är en specialitet inom neutronvetenskapens värld. Innan forskare kan undersöka ett objekts inre med en neutronstråle, de måste först ha några grundläggande detaljer om hur neutronerna kommer att studsa bort från objektets atomstruktur. En av dessa detaljer är ett ämnes brytningsindex, en siffra som anger hur mycket den kommer att böja strålen från den riktning den rör sig. (Vatten böjer ljus på ett relaterat sätt – det är därför din arm ser ut att böjas bort när du doppar det i en simbassäng.) Neutroninterferometri är det bästa sättet att få den avgörande mätningen.

Neutroninterferometri har också potential för andra användningsområden inom fundamental fysik, som att noggrant mäta gravitationskonstanten. Det är tillräckligt känsligt för att upptäcka hur ett föremåls gravitationskraft kan avleda neutroner, precis som jorden attraherar en flygande boll (och vice versa). Men neutronmetodens akilleshäl har varit hur långsamt den fungerar. För att fokusera neutroner på ett materialprov, en interferometer har behövt en kristall huggen till exakta mått ur ett enda stort block av dyra, kisel av högsta kvalitet. (Andra neutrontekniker kan nöja sig med kristaller av mycket lägre kvalitet.)

Tyvärr, kristaller som är tillräckligt bra för interferometri blockerar också de flesta neutroner som träffar dem, vilket innebär att det tar lång tid för en stråle att skicka tillräckligt många neutroner förbi ett prov för att få ett exakt brytningsindex. Andra uppgifter skulle ta mycket längre tid.

"Neutronkällorna är redan mycket svaga, " sa Waterloos Dmitry Pushin. "Det skulle ta hundra år att få ett bra svar på grundläggande frågor som värdet av gravitationskonstanten."

Den nya metoden kringgår dessa problem genom att använda en trio av tunna kiselgitter för att fokusera neutronerna istället för en enda kostsam kristall. Under ett mikroskop, den plana ytan på varje galler ser ut som en kam med smala, tätt placerade tänder. Inte bara tillåter gittren hela neutronstrålen att passera genom dem - snarare än ränderna av neutroner som tar sig genom kristallen - de har den avgörande fördelen att de är rörliga.

"Du fokuserar genom att flytta gallret en bråkdel av en millimeter, " sa Huber. "Det är lätt men inte svårt."

Demonstrerad vid NIST Center for Neutron Research, teamets tillvägagångssätt bygger på en upptäckt som ursprungligen gjordes vid NIH, där forskare experimenterade med att applicera gittren på röntgenstrålar och märkte att ett moirémönster bildades på deras visuella bildapparat.

"Idén utvecklades först av vårt labb för att fånga bilden av material där röntgenstrålar färdas med lite olika hastigheter än i luften, som människokroppen själv, sa Han Wen, senior utredare vid NIH:s National Heart, Lunga, och Blodinstitutet. "Det centrala i denna idé är röntgengitter, som gjordes med de högt specialiserade verktygen på NIST Nanofab-anläggningen."

Lyckligtvis, forskarna från NIST och Waterloo träffade NIH-teammedlemmarna på en konferens och inledde ett samarbete, misstänker att gittren skulle fungera lika bra för neutroner som för röntgenstrålar. NIH-teamet tog tillbaka gallren till NIST, där de sattes ihop till neutroninterferometern.

Efter lika goda resultat på NCNR, Huber sa att bara en sak står i vägen för att deras interferometer ska bli ett bra verktyg för industrin:De behöver en uppsättning öppningar med olika bredder som neutronstrålen kommer att passera igenom innan den träffar interferometern. Just nu, de har bara en enda bländare till sitt förfogande, och det begränsar deras syn.

"Vi kan se hela intervallet från 1 nanometer till 10 mikrometer nu, men bilden är lite suddig eftersom vi inte får tillräckligt med data, " sa han. "Varje olika bländare ger oss en annan datapunkt, och med tillräckligt många poäng kan vi börja göra kvantitativ analys av ett material mikrostruktur. Vi hoppas att vi kan få en uppsättning på kanske hundra, vilket skulle göra det möjligt för oss att få detaljerad kvantitativ information."

Teamet har redan skannat insidan av ett granitblock som innehåller en blandning av fyra olika mineraler, och skanningen visar detaljerna om var varje bit av mineral sitter. Huber sa att metoden skulle vara bra för icke-invasiva skanningar av porösa föremål som meteoriter eller tillverkade material, som geler eller skum, som är grunden för många konsumentprodukter.

"Vi hoppas också att vi äntligen kan göra den där gravitationskonstantmätningen, " sa han. "Vi skulle kunna lägga ett stort block av någon tungmetall som volfram i närheten och se hur det böjer strålen. Det skulle förbättra vår förståelse av universum och skulle inte ta längre tid än våra liv."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.