La spettroscopia di neutroni è uno strumento importante per lo studio delle proprietà magnetiche e termoelettriche nei materiali. Ma spesso la risoluzione, o la capacità dello strumento di vedere i dettagli fini, è troppo grossolano per osservare chiaramente le caratteristiche che identificano nuovi fenomeni in nuovi materiali avanzati.

Risolvere questo problema, Fahima Islam, Jiao Lin, e Garrett Granroth, ricercatori con il Neutron Sciences Directorate (NScD) presso il Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), sviluppato un nuovo software a super risoluzione, chiamato SRINS, ciò rende più facile per gli scienziati comprendere meglio le proprietà dinamiche dei materiali utilizzando la spettroscopia di neutroni. Combinando i dati dei neutroni da più rivelatori attraverso uno speciale algoritmo, il software utilizza più misurazioni della stessa proprietà del materiale da diverse prospettive per fornire ai ricercatori risultati che hanno una risoluzione fino a cinque volte più fine rispetto a quelli prodotti con le tradizionali tecniche di riduzione dei dati di spettroscopia.

"Con questo software, possiamo migliorare la risoluzione dei dati di diffusione dei neutroni misurati in uno spettrometro a geometria diretta di un fattore cinque senza installare alcun nuovo hardware. Questa innovazione può portare a ulteriori sviluppi sfruttando la ricerca sull'elaborazione delle immagini nella scienza dei dati sui neutroni per la comunità globale dello scattering di neutroni, " disse Lin.

La spettroscopia di neutroni è una tecnica di diffusione di neutroni utilizzata per rilevare e misurare le firme energetiche derivanti dalla dinamica interna del materiale. Queste firme forniscono agli scienziati una visione unica di come si comportano i materiali, soprattutto quelli con proprietà termoelettriche e magnetiche. Gli scienziati possono quindi utilizzare queste informazioni per generare nuovi, materiali avanzati per applicazioni future.

"Lo studio di tali firme energetiche è una ricerca fondamentale, ma è una ricerca fondamentale con uno scopo. I dati che raccogliamo con la spettroscopia di neutroni potrebbero dare un contributo significativo a cose come i computer quantistici e i sistemi di raffreddamento di prossima generazione, " disse Granrot.

Per rendere più facile per i ricercatori gettare le basi per futuri risultati scientifici, Islam, Lin, e Granroth hanno lavorato insieme ai colleghi del Computational and Applied Mathematics Group (CAM) dell'ORNL per creare un algoritmo che migliora notevolmente la risoluzione dei dati prodotti con la spettroscopia di neutroni. Quindi, utilizzando il linguaggio di programmazione Python, hanno codificato il loro algoritmo in un software che gli scienziati di tutto il mondo possono installare sui loro strumenti di spettroscopia di neutroni.

"È solo un prototipo, ma finora abbiamo avuto un successo notevole. Per confronto, migliorare così tanto la risoluzione dei dati installando nuove apparecchiature avrebbe richiesto una strumentazione molto più grande che non è fattibile da costruire. Con questo software, siamo in grado di conservare le risorse e di apportare miglioramenti drastici alle nostre capacità di spettroscopia di neutroni. E ha il potenziale per migliorare la risoluzione di molte misurazioni della diffusione dei neutroni, non solo spettroscopia, " disse Fahima.

"Oak Ridge è unico per il fatto che abbiamo più strutture leader a livello mondiale proprio una accanto all'altra. Avere l'opportunità di lavorare con i miei colleghi su una scienza rivoluzionaria come questo software è stato davvero emozionante, " ha detto Richard Archibald, un matematico applicato con CAM che ha aiutato l'Islam, Lin, e Granroth sviluppano il software.

Islam, Lin, e Granroth sperano che il loro nuovo software non solo porterà a nuovi sviluppi nella ricerca sui materiali avanzati presso Oak Ridge, ma hanno anche un grande impatto sul campo dello scattering di neutroni in generale.

"Per quanto ne sappiamo, questo è il primo lavoro pubblicato che mostra un'applicazione della super risoluzione ai neutroni. Siamo in prima linea in una nuova entusiasmante tendenza che aiuterà anche altre strutture di diffusione di neutroni a migliorare la propria risoluzione dei dati, " disse Lin.