Bättre neutronspeglar kan avslöja materiens inre hemligheter

– I stället för att vrida upp effekten på neutronkällan, vilket är extremt dyrt, 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 hur många neutroner det är i en kärna kan egenskaperna hos grundämnet ändras. Men neutroner kan också användas för att analysera olika material på en väldigt detaljerad nivå. Metoden kallas neutronspridning.

Sådana mätningar utförs vid särskilda neutronforskningslaboratorier som kallas neutronkällor. Just nu byggs en sådan utanför Lund som fått namnet European Spallation Source, eller ESS. Det är en satsning på drygt 22 miljarder svenska kronor.

ESS och andra neutronkällor kan liknas vid avancerade mikroskop som låter forskare undersöka olika material och deras egenskaper ner till atomnivå. De används i allt från att studera atomstrukturer, materialdynamik och magnetism, till proteiners funktioner.

För att neutronerna ska frigöras från atomkärnan krävs enorma mängder energi. När de väl är frigjorda i neutronkällan måste neutronerna fångas upp och riktas mot sitt mål, det vill säga det material som ska undersökas. För att rikta och polarisera neutronerna används särskilda speglar, även kallat neutronoptik.

Trots att ESS kommer att ha världens mest kraftfulla neutronkälla kommer antalet tillgängliga neutroner vid experimenten att vara begränsat. För att öka antalet neutroner som når instrumenten krävs en förbättrad optik. Det är något forskare från Linköpings universitet nu gjort genom att förbättra den polariserande neutronoptiken på flera viktiga punkter för att öka effektiviteten.

– Våra speglar har bättre reflektans vilket ökar antalet neutroner som når fram. Spegeln kan också polarisera neutronerna till samma spinn mycket bättre vilket är viktigt för polariserade experiment, säger Anton Zubayer, doktorand vid Institutionen för fysik, kemi och biologi och huvudförfattare till artikeln publicerad i Science Advances.

Han fortsätter:

– Dessutom behövs inte längre någon stor magnet för polariseringen, vilket gör det möjligt att placera spegeln närmre proverna eller annan känslig utrustning utan att påverka proverna i sig. Det i sin tur möjliggör nya typer av experiment. Utöver det så har vi även minskat den diffusa spridningen vilket gör att vi kan få lägre bakgrundsbrus i mätningarna.

Speglarna tillverkas på ett kiselsubstrat. Genom en process som kallas magnetron sputtering går det att belägga substratet med utvalda grundämnen. Processen gör det möjligt att belägga flera tunna filmer på varandra i ett så kallat multilager. I detta fall används järn- och kisellager som blandas med isotopanrikad borkarbid. Om lagertjocklekarna är av samma storleksordning som neutronernas våglängd, och gränsytan mellan lagren är väldigt slät, kan neutronerna hamna i fas med varandra vilket gör att spegeln reflekterar neutronerna bättre.

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

– Genom att öka antalet neutroner och även reflektera högre neutronenergier öppnas möjligheter för nya experiment och banbrytande upptäckter inom områden som fysik, kemi, biologi och medicin, säger Fredrik Eriksson.

Studien finansierades bland annat av Vetenskapsrådet, Kungliga ingenjörsvetenskapsakademien, Kungliga vetenskapsakademien, Hans Werthéns bidrag, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Stiftelsen för strategisk forskning, samt via den svenska regeringens strategiska satsning på nya funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.

Fakta: Vid neutronanalyser utnyttjas neutronernas förmåga att bete sig både som en våg och en partikel. Dessa neutroner kan i sin tur ha två olika spinn. Det är viktigt för främst magnetiska studier att kunna använda sig av polariserade neutroner, det vill säga neutroner med endast ett specifikt spinn.

Artikeln: Reflective, polarizing, and magnetically soft amorphous neutron optics with 11B-enriched B4C; Anton Zubayer, Naureen Ghafoor, Kristbjörg Anna Thórarinsdóttir, Sjoerd Stendahl, Artur Glavic, Jochen Stahn, Gyula Nagy, Grzegorz Greczynski, Matthias Schwartzkopf, Arnaud Le Febvrier, Per Eklund, Jens Birch, Fridrik Magnus, Fredrik Eriksson; Science Advances 2024 publicerad online 14 februari 2024. DOI: 10.1126/sciadv.adl0402

Kontakt

Fredrik Eriksson, universitetslektor, fredrik.eriksson@liu.se, 013-28 89 37

Anton Zubayer, doktorand, anton.zubayer@liu.se, 013-28 16 88