Neutronspektroskopi är ett viktigt verktyg för att studera magnetiska och termoelektriska egenskaper i material. Men ofta är upplösningen, eller instrumentets förmåga att se fina detaljer, är för grov för att tydligt observera funktioner som identifierar nya fenomen i nya avancerade material.

För att lösa det här problemet, Fahima islam, Jiao Lin, och Garrett Granroth, forskare vid Neutron Sciences Directorate (NScD) vid Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), utvecklat en ny superupplösningsprogramvara, kallad SRINS, det gör det lättare för forskare att bättre förstå materialens dynamiska egenskaper med hjälp av neutronspektroskopi. Genom att kamma neutrondata från flera detektorer genom en speciell algoritm, mjukvaran använder flera mätningar av samma materialegenskap från olika perspektiv för att ge forskare resultat som har upp till fem gånger finare upplösning än de som produceras genom traditionella tekniker för minskning av spektroskopidata.

"Med denna programvara, vi kan förbättra upplösningen av neutronspridningsdata mätt i en direktgeometri-spektrometer med en faktor fem utan att installera någon ny hårdvara. Denna innovation kan leda till mer utveckling som utnyttjar bildbehandlingsforskning inom neutrondatavetenskap för det globala neutronspridningsgemenskapen, "sa Lin.

Neutronspektroskopi är en neutronspridningsteknik som används för att detektera och mäta energisignaturer som härrör från materialets inre dynamik. Dessa signaturer ger forskare en unik inblick i hur material beter sig, särskilt de med termoelektriska och magnetiska egenskaper. Forskare kan sedan använda denna information för att skapa nya, avancerat material för framtida applikationer.

"Studiet av sådana energisignaturer är grundläggande forskning, men det är grundforskning med ett syfte. Data vi samlar in med neutronspektroskopi kan ge meningsfulla bidrag till saker som kvantdatorer och nästa generations kylsystem, sa Granroth.

För att underlätta för forskare att lägga grunden för framtida vetenskapliga prestationer, Islam, Lin, och Granroth arbetade tillsammans med kollegor vid ORNL:s Computational and Applied Mathematics Group (CAM) för att skapa en algoritm som kraftigt förbättrar upplösningen av data som produceras med neutronspektroskopi. Sedan, med programmeringsspråket Python, de kodade sin algoritm till programvara som forskare runt om i världen kan installera på sina neutronspektroskopiinstrument.

"Det är bara en prototyp, men vi har haft anmärkningsvärda framgångar hittills. För jämförelse, att förbättra dataupplösningen så mycket genom att installera ny utrustning skulle ha krävt mycket större instrumentering som är omöjlig att bygga. Med denna programvara, vi kan spara resurser och fortfarande göra drastiska förbättringar av våra neutronspektroskopi -funktioner. Och det har potential att förbättra upplösningen för många neutronspridningsmätningar, inte bara spektroskopi, sa Fahima.

"Oak Ridge är unikt i det faktum att vi har flera världsledande anläggningar alldeles intill varandra. Att få möjlighet att arbeta med mina kollegor om banbrytande vetenskap som den här programvaran var riktigt spännande, "sade Richard Archibald, en tillämpad matematiker med CAM som hjälpte islam, Lin, och Granroth utvecklar programvaran.

Islam, Lin, och Granroth hoppas att deras nya programvara inte bara kommer att leda till ny utveckling inom avancerad materialforskning vid Oak Ridge, men har också en stor inverkan på området neutronspridning i allmänhet.

"Så vitt vi vet, detta är det första publicerade verket som visar en tillämpning av superupplösning på neutroner. Vi är i framkant i en spännande ny trend som hjälper andra neutronspridningsanläggningar att förbättra sin egen dataupplösning också, "sa Lin.