Forskare vid Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har avslutat den preliminära idrifttagningen av en ny 14-tesla magnet vid Spallation Neutron Source (SNS). Denna nya provmiljö gör det möjligt för forskare att utforska den grundläggande fysiken bakom komplext beteende för kvantämne.

Magneten, som också har ett tillbehör för utspädning av kylskåp, är den senaste lågtemperaturprovmiljön som tas i drift hos SNS. Väger 2, 670 pund och står nästan 7 fot lång, denna massiva enhet är ett utmärkt verktyg för forskare som vill lära sig mer om material som uppvisar kvantfenomen. Dess kraftfulla magnetfält tvingar kvantpartiklar att bete sig på ett ordnat sätt, ger forskare möjlighet att lokalisera mönster i annars störda kvantsystem. Och med sitt kylskåp -som kan kyla prover till -459,65 ° F -kan forskare i huvudsak "frysa" molekylära vibrationer i material som kan framstå som bakgrundsbrus i neutronspridningsstudier. Detta möjliggör mer exakta mätningar av excitationerna i samband med kvantmagneter.

"Kvantsystem saknar ofta urskiljbar ordning. Detta gör det svårt att förstå deras grundläggande egenskaper. Denna nya provmiljö låter oss få ordning på dessa system som vi är intresserade av att studera, "sa Matt Stone, en ledande instrumentforskare vid ORNL.

Stone förklarade att 14-tesla magneten producerar ett magnetfält som är mycket väl lämpad för många av neutronspridningsexperimenten på kvantmaterial som bedrivs vid SNS. Men, han lade till, ORNL:s neutronspridningsanläggningar kan hantera provmiljöer som producerar mycket större magnetfält.

"Ett 14-tesla magnetfält tillåter oss att sprida neutroner genom en stor spridningsvinkelöppning. Det är idealiskt för att utforska ett brett spektrum av material och kvantbeteenden, inklusive saker som kvantmagnetism och spinnvätskor, "sa han." Var säker, fastän, att större magnetfältprovsmiljöer redan övervägs för utveckling vid ORNL:s neutronspridningsanläggningar. "

Stone tillbringade tre år med att designa och testa 14-tesla-magneten tillsammans med kollegor på ORNL och Oxford Instruments, ett vetenskapligt instrumentationsföretag baserat i Oxford, England. Det tog ytterligare tre veckor för tekniker och ingenjörer att montera magneten, som kom från Oxford i 13 enorma lådor.

"Det var ett stort projekt, men det gick väldigt smidigt. Vår personal och våra kamrater på Oxford Instruments samlade denna provmiljö med noggrann omsorg, och den flit är det som gjorde denna församling så framgångsrik, sa Saad Elorfi, en mästartekniker med team med lågtemperatur- och magnetprovsmiljö på ORNL.

Neutroner är utmärkta verktyg för att studera kvantsystem. De har ingen elektrisk laddning, men de har ett magnetiskt ögonblick, vilket gör dem känsliga för magnetiska material som kvantmagneter.

"Förutom deras känslighet för magnetiska strukturer, neutroner vid de kalla neutroninstrumenten vid ORNL är särskilt användbara för att studera kvantfenomen eftersom de produceras med en energi som liknar den som vi ser i kvant excitationer, "sa Stone.

Stone säger att ett antal forskare redan har kontaktat honom om att använda 14-tesla-magneten för sina experiment. Magneten är mobil, vilket betyder att den kan installeras på ett antal olika neutronspridningsinstrument vid SNS. Dessa inkluderar SEQUOIA, HYSPEC, CORELLI, ARCS, och CNCS.

"Vi har skapat en kraftfull tillgång för forskare som vill utforska kvantmaterial, en vi förväntar oss kommer att producera banbrytande forskning inom detta område, "sa Stone.

SNS är en DOE Office of Science User Facility. UT-Battelle LLC hanterar ORNL för DOE Office of Science. Office of Science är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysik i USA och arbetar med att ta itu med några av vår tids mest utmanande utmaningar.