Att förstå magnetism på dess mest grundläggande nivå är avgörande för att utveckla mer kraftfull elektronik, men material med mer komplexa magnetiska strukturer kräver mer komplexa verktyg för att studera dem - kraftfulla verktyg som helt enkelt kallas "neutroner".

Två av världens mest kraftfulla källor för neutronspridning vid US Department of Energy (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) håller på att uppgradera. Att lägga till en avancerad kapacitet som kallas sfärisk neutronpolarimetri gör det möjligt för forskare som använder ORNL:s High Flux Isotope Reactor (HFIR) och Spallation Neutron Source (SNS) att göra mätningar av material med exotiska magnetiska strukturer och kvanttillstånd som tidigare var otillgängliga i USA.

"Neutroner är idealiska för att studera magnetiska fenomen, "sa ORNL-forskare Nicolas Silva." De är elektriskt neutrala, eller har ingen avgift, och uppvisar magnetiska ögonblick, som får dem att likna små magneter själva. "

När neutroner passerar genom ett material och sprider magnetfält som genereras av materialets atomer, de målar ett atomporträtt eller till och med en 3D-modell av materialets atomarrangemang och avslöjar hur atomerna i systemet beter sig.

Neutroner har ett "snurr, "eller orientering, som nord- och sydpolen på kylskåpsmagneter. I en typisk neutronstråle, neutronerna i strålen har snurr som är ordnade slumpmässigt. Mätning av vissa mycket dynamiska eller komplexa magnetiska system, dock, kräver mer enhetlighet, som tillhandahålls av en polariserad neutronstråle i vilken varje neutronspinn är inriktad parallellt och med samma orientering.

"Neutronpolarisationsfilter gör att vi kan se igenom saker vi inte vill se som kan förvirra signalen vi är intresserade av, "sa instrumentforskaren Barry Winn." I likhet med hur polariserade linser tillåter sportfiskare att se fisk simma nedanför som annars skulle blockeras av vattenets reflektion. "

Neutroner kommer att ändra sina snurr på förutsägbara sätt när de sprider sig. Genom att använda en polariserad stråle kan forskare bättre förstå vad som händer i ett material genom att fastställa neutronspinnet före och mäta neutronspinnet efter att strålen träffar provet. Till exempel, en neutrons spinn kan vändas i motsatt riktning under spridningen.

"I USA, de flesta mätningar vi har gjort med polariserade neutroner hittills har baserats på om neutronen, efter att ha spridits från materialet eller dess magnetfält, roteras 180 grader eller bevarar dess orientering. Vi kallar det spin-flip och non-spin-flip, sa Winn.

"Men det är ett problem med det. Om vi ​​får någon spridning från provet som är något annat än en icke-snurr-vänd eller snurr-vänd-eller något annat än 0 och 180 grader-då blåser strategin i ansiktet."

Strategin fungerar bra för konventionella magnetiska material som ferromagneter och antiferromagneter, där alla magnetatomer pekar antingen i samma riktning eller i alternativa riktningar, men förblir parallella med sina grannar. Dock, strategin fungerar inte för mer komplexa magnetiska strukturer.

Till exempel, tekniken är begränsad när det gäller att undersöka exotiska partiklar som skyrmions-kvasipartiklar som uppvisar kirala rörelser, eller trassliga virvlar, eller virvlar av asymmetriska fältlinjer. Sådana partiklar ger spännande potential för material som används i avancerad datalagring och kvantberäkningsprogram.

För att ta itu med problemet, polarisationsforskaren Peter Jiang leder ett ORNL -team inklusive Winn och Silva i ett laboratoriestyrt forsknings- och utvecklingsprojekt för att utveckla sfärisk neutronpolarimetri för flera ORNL -strållinjer. Tekniken möjliggör neutronmätningar av material som inte överensstämmer med de traditionella spin-flip- och non-spin-flip-domänerna, eller, med andra ord, gör det möjligt för forskare att se det dynamiska magnetiska beteendet som finns däremellan.

"De traditionella teknikerna är inte tillräckligt sofistikerade för att studera vissa komplexa magnetiska system, "sa Jiang." Nu, vi är inte längre begränsade till snurr. Detta gör att vi kan titta på magnetiska arrangemang som vi inte kunde räkna ut tidigare. "

Sfärisk neutronpolarimetri har använts i Europa, och nu anpassar Jiang och ORNL -teamet tekniken till instrument på SNS och HFIR. De bygger tekniken baserat på pågående forskning utförd av Tianhao Wang, först som doktorand vid Indiana University, Bloomington, och senare som en postdoktoral forskning på ORNL -teamet.

Grundtekniken innehåller ytterligare optiska enheter installerade på både den inkommande strålen som träffar provet - den infallande strålen - och den utgående strålen som sprider av den, vilket möjliggör mätningar av spridda neutroner orienterade i vilken riktning som helst. ORNL -tekniken bygger på tidigare prototypdesigner och kommer att erbjuda flera innovationer.

Med ORNL -sfäriska neutronpolarimetrienheter, den spridda strålbanan behöver inte vara i linje med den infallande strålen utan kan istället vinklas runt provet.

"Det betyder att om neutronen inte upplever en fullständig vändning, vi kan justera fältet i andra änden, eller flytta apparaten för att detektera neutroner som sprider sig i olika riktningar, "förklarade Silva.

Teamet utvecklade också två oberoende kylsystem för att göra det möjligt för forskare att studera hur magnetiska strukturer förändras som en funktion av temperaturen. Det första systemet kyler två sfäriska neutronpolarisationskomponenter som finns på vardera sidan av provet för att göra dem supraledande. Det andra systemet introducerar en extra kryostat med automatisk påfyllning av flytande helium som gör det möjligt för forskare att lättare utforska material under olika temperaturer utan att störa de temperaturer som krävs för supraledning i det första systemet.

Till sist, de sfäriska neutronpolarimetrienheterna är tillverkade med mer effektiva material. Medan tidigare konstruktioner använder niob för de superledande arken, den nya designen använder en yttrium-barium-koppar-oxid (YBCO) som supraleder vid 93 Kelvin (-292 ° F), en betydligt högre temperatur än sin föregångare till niob. Dessutom, de superledande filmerna är kopplade till Mu-metallok som kombinerar för att skydda alla andra magnetfält och etablerar ett nollfält runt provet för att studera materialens snurr i deras naturliga tillstånd.

"Att nå supraledning kräver en betydande mängd kylkraft. Niob måste kylas till under 10 K för att bibehålla supraledning, så de europeiska konstruktionerna krävde omfattande kylsystem som ofta måste fyllas på manuellt med flytande helium, sa Jiang.

"Med högtemperatur-YBCO-filmerna, vi kan använda ett enstegs kylskåp med sluten cykel för att kyla filmen till långt under dess kritiska temperatur, så vi är inte oroliga för någon förlust av supraledning. Och, med det tillsatta flytande helium-autofyllsystemet för kryostaten och kylsystemet med sluten cykel, enheten blir lättare att använda och mer effektiv. "

Vad mer, systemet är kompakt i jämförelse med tidigare system-de högtemperatur superledare som förnekar behovet av ett stort kylsystem gör det mobilt.

"Om något, det finns ett bevis på hur bärbar enheten är. Vi har flyttat den till kärnreaktorn vid University of Missouri, sedan tillbaka till HFIR, och från HFIR till SNS, "sa Silva." Jag har satt ihop och tagit isär det flera gånger, och varje gång har jag hittat enklare sätt att ansluta bitarna-bara små livskvalitetsförändringar gör vi för att förbättra dess användbarhet. "

Systemet har testats framgångsrikt, där fullständiga polarisationsmätningar gjordes med användning av flera kända material inklusive kisel, manganoxid, och vismut-järnoxid.

Teamet planerar att implementera systemet på HFIRs PTAX trippelaxelspektrometer och GP-SANS diffraktometer, som kommer att optimeras för reaktorns neutronstråle i stationärt tillstånd, med full kapacitet som förväntas i slutet av 2020.

Senare, teamet kommer att utveckla en liknande sfärisk neutronpolarimetriutrustning uteslutande för HYSPEC-instrumentet på SNS som kommer att göra det till det enda instrumentet i världen som kopplar ihop en super-mirror-array och vidvinkelförmåga. Enheten kommer också att dra nytta av de unika möjligheterna som aktiveras av SNS pulserande källaccelerator.

"Sålänge, "sa Winn, "vi kommer att ha en arbetshäst i PTAX som kommer att slå av oss strumporna."