Non puoi vedere bene senza lenti in grado di mettere a fuoco, se quelle lenti sono nei tuoi occhi o nel microscopio attraverso il quale scruti. Un nuovo modo innovativo per focalizzare i fasci di neutroni potrebbe consentire agli scienziati di sondare l'interno di oggetti opachi in un intervallo di dimensioni a cui in precedenza erano ciechi, permettendo loro di esplorare le viscere degli oggetti, dai meteoriti ai materiali fabbricati all'avanguardia senza danneggiarli.

Il metodo, pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , potrebbe convertire quello che storicamente è stato uno strumento di supporto per la scienza dei neutroni in una tecnica di scansione completa che potrebbe rivelare dettagli di dimensioni variabili da 1 nanometro fino a 10 micrometri all'interno di oggetti più grandi. L'approccio fornisce questo strumento, nota come interferometria neutronica, con quelle che sono essenzialmente le sue prime "lenti" mobili in grado di ingrandire e rimpicciolire i dettagli in questa gamma di dimensioni, una gamma che è stata difficile da sondare, anche con altri metodi di scansione dei neutroni.

Più precisamente, queste "lenti" sono wafer di silicio che agiscono come reticoli di diffrazione, che sfruttano le proprietà ondulatorie dei neutroni. I reticoli si dividono e reindirizzano un raggio di neutroni in modo che le onde rimbalzino sui bordi di un oggetto e poi si scontrino l'una con l'altra, creando un motivo di interferenza moiré visibile rappresentativo dell'oggetto che è facile da interpretare per gli esperti.

Il metodo è stato sviluppato da un team di ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), il National Institutes of Health (NIH), e l'Università canadese di Waterloo. Secondo Michael Huber del NIST, l'approccio potrebbe trasformare l'interferometria neutronica in uno dei migliori strumenti esplorativi nel kit di uno scienziato dei materiali.

"Possiamo guardare alla struttura su molti livelli diversi e su scale diverse, " ha detto Huber, un fisico del Physical Measurement Laboratory del NIST che conduce esperimenti presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni (NCNR). "Potrebbe integrare altre tecniche di scansione perché la sua risoluzione è così buona. Ha una straordinaria capacità di messa a fuoco, e non ci limitiamo a guardare sottili fette di materiale come con altri metodi:possiamo facilmente guardare all'interno di un grosso pezzo di roccia".

L'interferometria è una specialità nel mondo della scienza dei neutroni. Prima che gli scienziati possano sondare l'interno di un oggetto con un raggio di neutroni, devono prima possedere alcuni dettagli fondamentali su come i neutroni rimbalzeranno sulla struttura atomica dell'oggetto. Uno di questi dettagli è l'indice di rifrazione di una sostanza, un numero che indica quanto piegherà il raggio dalla direzione in cui sta viaggiando. (L'acqua piega la luce in un modo correlato, ecco perché il tuo braccio sembra piegarsi quando lo immergi in una piscina.) L'interferometria di neutroni è il modo migliore per ottenere quella misurazione cruciale.

L'interferometria di neutroni ha anche il potenziale per altri usi nella fisica fondamentale, come misurare accuratamente la costante gravitazionale. È abbastanza sensibile da rilevare come la forza gravitazionale di un oggetto può deviare i neutroni, proprio come la Terra attrae una palla volante (e viceversa). Ma il tallone d'Achille del metodo dei neutroni è la lentezza con cui funziona. Per focalizzare i neutroni su un campione di materiale, un interferometro ha avuto bisogno di un cristallo scolpito a dimensioni precise da un unico grande blocco di costosi, silicio di prima qualità. (Altre tecniche di neutroni possono accontentarsi di cristalli di qualità molto inferiore.)

Sfortunatamente, i cristalli che sono abbastanza buoni per l'interferometria bloccano anche la maggior parte dei neutroni che li colpiscono, il che significa che ci vuole molto tempo perché un raggio invii abbastanza neutroni oltre un campione per ottenere un indice di rifrazione accurato. Altri compiti richiederebbero molto più tempo.

"Le sorgenti di neutroni sono già molto deboli, ", ha detto Dmitry Pushin di Waterloo. "Ci vorrebbero cento anni per ottenere una buona risposta a domande fondamentali come il valore della costante gravitazionale".

Il nuovo approccio evita questi problemi utilizzando un trio di sottili reticoli di silicio per focalizzare i neutroni invece di un singolo costoso cristallo. Al microscopio, la superficie piana di ogni grata si presenta come un pettine con strette, denti ravvicinati. I reticoli non solo consentono all'intero fascio di neutroni di attraversarli, piuttosto che al rivolo di neutroni che attraversa il cristallo, ma hanno il vantaggio fondamentale di essere mobili.

"Ti focalizzi spostando la grata di una frazione di millimetro, " Huber ha detto. "E 'leggero ma non difficile."

Dimostrato presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni, l'approccio del team si basa su una scoperta inizialmente fatta al NIH, dove gli scienziati stavano sperimentando l'applicazione dei reticoli ai fasci di raggi X e hanno notato un motivo moiré che si formava sul loro imager visivo.

"L'idea è stata inizialmente sviluppata dal nostro laboratorio per catturare l'immagine di materiali in cui i raggi X viaggiano a velocità leggermente diverse rispetto all'aria, come il corpo umano stesso, " ha detto Han Wen, investigatore senior presso il National Heart del NIH, Polmone, e Istituto del Sangue. "Al centro di questa idea ci sono i reticoli a raggi X, che sono stati realizzati con gli strumenti altamente specializzati presso la struttura NIST Nanofab."

casualmente, gli scienziati del NIST e di Waterloo hanno incontrato i membri del team NIH in una conferenza e hanno avviato una collaborazione, sospettando che i reticoli funzionerebbero altrettanto bene per i neutroni come per i raggi X. Il team NIH ha riportato le grate al NIST, dove sono stati assemblati nell'interferometro di neutroni.

Dopo risultati altrettanto buoni al NCNR, Huber ha affermato che solo una cosa impedisce al loro interferometro di diventare un ottimo strumento per l'industria:hanno bisogno di una serie di aperture di diverse larghezze attraverso le quali il raggio di neutroni passerà prima che colpisca l'interferometro. Proprio adesso, hanno una sola apertura a loro disposizione, e limita la loro visione.

"Ora possiamo vedere l'intera gamma da 1 nanometri a 10 micrometri, ma l'immagine è un po' sfocata perché non abbiamo abbastanza dati, " ha detto. "Ogni diversa apertura ci dà un altro punto di dati, e con abbastanza punti possiamo iniziare a fare un'analisi quantitativa della microstruttura di un materiale. Speriamo di poter realizzare un set di forse un centinaio, che ci consentirebbe di ottenere informazioni quantitative dettagliate."

Il team ha già scansionato l'interno di un blocco di granito che contiene una miscela di quattro diversi minerali, e la scansione mostra i dettagli di dove si trova ogni pezzo di minerale. Huber ha affermato che il metodo sarebbe utile per scansioni non invasive di oggetti porosi come meteoriti o materiali fabbricati, come gel o schiume, che sono alla base di molti prodotti di consumo.

"Speriamo anche di poter finalmente fare quella misurazione della costante gravitazionale, " ha detto. "Potremmo mettere un grosso blocco di qualche metallo pesante come il tungsteno nelle vicinanze e vedere come piega il raggio. Migliorerebbe la nostra comprensione dell'universo e non impiegherebbe più tempo della nostra vita".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.