Förbättrade neutronspeglar kan öka effektiviteten i materialanalys i neutronkällor som European Spallation Source. Den förbättrade spegeln har utvecklats av forskare vid Linköpings universitet genom att belägga en kiselplatta med extremt tunna lager av järn och kisel blandat med borkarbid. Deras studie har publicerats i tidskriften Science Advances .

"Istället för att öka effekten på neutronkällan, som är extremt dyr, är det bättre att fokusera på att förbättra optiken", säger Fredrik Eriksson, forskare vid avdelningen för tunnfilmsfysik vid Linköpings universitet.

Tillsammans med protoner bildar neutroner atomkärnor. Beroende på antalet neutroner i en kärna kan grundämnets egenskaper skilja sig åt. Dessutom kan neutroner också användas för att analysera olika material på en mycket detaljerad nivå. Denna metod kallas neutronspridning.

Sådana mätningar utförs vid speciella neutronforskningslaboratorier som kallas neutronkällor. Ett sådant laboratorium, European Spallation Source, eller ESS, byggs nu utanför Lund. Detta är en investering på 2 miljarder euro.

ESS och andra neutronkällor kan jämföras med avancerade mikroskop som gör det möjligt för forskare att undersöka olika material och deras egenskaper ner till atomnivå. De används i allt från att studera atomära strukturer, materialdynamik och magnetism, till proteiners funktioner.

Det krävs enorma mängder energi för att neutronerna ska frigöras från atomkärnorna. När neutronerna frigörs i neutronkällan måste de fångas in och riktas mot sitt mål, det vill säga materialet som ska undersökas. Speciella speglar används för att rikta och polarisera neutronerna. Dessa kallas neutronoptik.

Även om ESS kommer att ha världens mest kraftfulla neutronkälla, kommer antalet neutroner som är tillgängliga i experimenten att vara begränsat. För att öka antalet neutroner som når instrumenten krävs förbättrad polariserande optik. Detta har forskare från Linköpings universitet nu uppnått genom att förbättra neutronoptiken på flera viktiga punkter för att öka effektiviteten.

"Våra speglar har bättre reflektans, vilket ökar antalet neutroner som når sitt mål. Spegeln kan också polarisera neutronerna till samma spin mycket bättre, vilket är viktigt för polariserade experiment", säger Anton Zubayer, doktorand vid institutionen för Fysik, kemi och biologi och huvudförfattare till Science Advances artikel.

Han fortsätter, "Dessutom, eftersom detta inte längre kräver en stor magnet, kan spegeln placeras närmare proverna eller annan känslig utrustning utan att påverka själva proverna, vilket i sin tur möjliggör nya typer av experiment. Dessutom har vi också minskat den diffusa spridningen, vilket gör att vi kan minska bakgrundsljudet i mätningarna."

Speglarna är tillverkade på ett silikonsubstrat. Genom en process som kallas magnetronsputtering är det möjligt att belägga substratet med utvalda element. Denna process gör det möjligt att belägga den med flera tunna filmer ovanpå varandra, dvs en flerskiktsfilm.

I detta fall används järn- och kiselfilmer, blandade med isotopberikad borkarbid. Om skikttjockleken är av samma storleksordning som neutronvåglängden, och gränsytan mellan skikten är mycket jämn, kan neutronerna lämna spegeln i fas med varandra, vilket ger en hög reflektivitet.

Fredrik Eriksson menar att varje neutron är värdefull och varje liten förbättring av neutronoptikens effektivitet är värdefull för att förbättra experimenten.

"Genom att öka antalet neutroner och även reflektera högre neutronenergier öppnas möjligheter för banbrytande experiment och banbrytande upptäckter inom discipliner inklusive fysik, kemi, biologi och medicin", säger Fredrik Eriksson.

Neutronanalys använder sig av neutronernas förmåga att bete sig både som en våg och som en partikel. Dessa neutroner kan i sin tur ha två olika snurr. Det är främst viktigt för magnetiska studier att kunna använda polariserade neutroner, dvs neutroner med endast ett specifikt spin.

Mer information: Anton Zubayer et al, Reflekterande, polariserande och magnetiskt mjuk amorf neutronoptik med 11 B-berikad B 4 C, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0402

Tillhandahålls av Linköpings universitet