Comprendere il magnetismo al suo livello più fondamentale è vitale per sviluppare un'elettronica più potente, ma i materiali con strutture magnetiche più complesse richiedono strumenti più complessi per studiarli, strumenti potenti chiamati semplicemente "neutroni".

Due delle fonti più potenti al mondo per la diffusione di neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno ricevendo aggiornamenti. L'aggiunta di una funzionalità avanzata chiamata polarimetria di neutroni sferici consentirà ai ricercatori che utilizzano il reattore isotopico ad alto flusso (HFIR) e la sorgente di neutroni di spallation (SNS) di ORNL per effettuare misurazioni di materiali con strutture magnetiche esotiche e stati quantistici che erano precedentemente inaccessibili negli Stati Uniti.

"I neutroni sono ideali per studiare i fenomeni magnetici, " ha detto il ricercatore post-master dell'ORNL Nicolas Silva. "Sono elettricamente neutri, o non hanno alcun addebito, ed esibire momenti magnetici, che li rendono come piccoli magneti stessi."

Quando i neutroni passano attraverso un materiale e disperdono i campi magnetici generati dagli atomi di un materiale, dipingono un ritratto atomico o anche un modello 3D della disposizione atomica del materiale e rivelano come si comportano gli atomi all'interno del sistema.

I neutroni hanno uno "spin, "o orientamento, come i poli nord e sud dei magneti da frigorifero. In un tipico fascio di neutroni, i neutroni all'interno del raggio hanno spin disposti casualmente. Misurazione di determinati sistemi magnetici altamente dinamici o complessi, però, richiede maggiore uniformità, che è fornito da un fascio di neutroni polarizzati in cui ogni spin di neutroni è allineato in parallelo e con lo stesso orientamento.

"I filtri di polarizzazione dei neutroni ci consentono di vedere attraverso le cose che non vogliamo vedere che potrebbero confondere il segnale che ci interessa, " ha detto lo scienziato dello strumento Barry Winn. "Simile a come le lenti polarizzate consentono ai pescatori di vedere i pesci che nuotano sotto che altrimenti sarebbero bloccati dal riflesso dell'acqua".

I neutroni cambieranno i loro spin in modi prevedibili quando si disperdono. L'utilizzo di un raggio polarizzato consente ai ricercatori di comprendere meglio cosa sta accadendo in un materiale stabilendo lo spin dei neutroni prima e misurando lo spin dei neutroni dopo che il raggio colpisce il campione. Per esempio, lo spin di un neutrone potrebbe essere capovolto nella direzione opposta durante lo scattering.

"Negli Stati Uniti, la maggior parte delle misurazioni che abbiamo fatto con i neutroni polarizzati fino ad ora si sono basate sul fatto che il neutrone, dopo essere stato disperso dal materiale o dal suo campo magnetico, viene ruotato di 180 gradi o conserva il suo orientamento. Lo chiamiamo spin-flip e non-spin-flip, " ha detto Winn.

"Ma c'è un problema con questo. Se otteniamo una dispersione dal campione che è qualcosa di diverso da un non-spin-flip o spin-flip, o qualcosa di diverso da 0 e 180 gradi, allora la strategia ci esplode in faccia".

La strategia funziona bene per materiali magnetici convenzionali come ferromagneti e antiferromagneti, in cui tutti gli atomi magnetici puntano nella stessa direzione o in direzioni alterne, ma rimangono paralleli ai loro vicini. Però, la strategia non funziona per strutture magnetiche più complesse.

Per esempio, la tecnica è limitata quando si tratta di indagare su particelle esotiche come gli skyrmioni, quasi particelle che mostrano movimento chirale, o vortici aggrovigliati, o vortici di linee di campo asimmetriche. Tali particelle forniscono un potenziale entusiasmante per i materiali utilizzati nell'archiviazione avanzata dei dati e nelle applicazioni di calcolo quantistico.

Per affrontare il problema, Lo scienziato della polarizzazione Peter Jiang sta guidando un team ORNL che include Winn e Silva in un progetto di ricerca e sviluppo diretto in laboratorio per sviluppare polarimetria di neutroni sferici per più linee di luce ORNL. La tecnologia consentirà misurazioni di neutroni di materiali che non sono conformi ai tradizionali domini spin-flip e non-spin-flip, o, in altre parole, consentirà ai ricercatori di vedere il comportamento magnetico dinamico che esiste nel mezzo.

"Le tecniche tradizionali non sono abbastanza sofisticate per studiare certi sistemi magnetici complessi, " disse Jiang. "Ora, non siamo più limitati agli spin-flip. Questo ci consente di esaminare disposizioni magnetiche che non eravamo in grado di capire prima".

La polarimetria sferica di neutroni è stata utilizzata in Europa, e ora Jiang e il team dell'ORNL stanno adattando la tecnologia agli strumenti di SNS e HFIR. Stanno costruendo la tecnologia basata sulla ricerca in corso condotta da Tianhao Wang, prima come studente laureato all'Università dell'Indiana, Bloomington, e successivamente come ricerca post-dottorato nel team ORNL.

La tecnologia di base incorpora dispositivi ottici aggiuntivi installati sia sul raggio in entrata che colpisce il campione, il raggio incidente, sia sul raggio in uscita che lo disperde, che consente misurazioni di neutroni dispersi orientati in qualsiasi direzione. La tecnologia ORNL si basa su precedenti prototipi e offrirà diverse innovazioni.

Con i dispositivi di polarimetria a neutroni sferici ORNL, non è necessario che la traiettoria del raggio diffuso sia in linea con il raggio incidente, ma può essere inclinata attorno al campione.

"Ciò significa che se il neutrone non subisce un ribaltamento completo, possiamo regolare il campo dall'altra parte, o spostare l'apparato per rilevare la dispersione dei neutroni in direzioni diverse, " ha spiegato Silva.

Il team ha anche sviluppato due sistemi di raffreddamento indipendenti per consentire ai ricercatori di studiare come cambiano le strutture magnetiche in funzione della temperatura. Il primo sistema raffredda due componenti di polarizzazione dei neutroni sferici situati su entrambi i lati del campione per renderli superconduttori. Il secondo sistema introduce un criostato aggiuntivo con capacità di auto-riempimento di elio liquido che consente ai ricercatori di esplorare più facilmente i materiali in un intervallo di temperature senza interferire con le temperature richieste per la superconduttività nel primo sistema.

Finalmente, i dispositivi di polarimetria a neutroni sferici sono realizzati con materiali più efficienti. Considerando che i progetti precedenti utilizzano niobio per i fogli superconduttori, il nuovo design utilizza un ossido di ittrio-bario-rame (YBCO) che superconduce a 93 Kelvin (-292° F), una temperatura significativamente più alta rispetto al suo predecessore al niobio. Inoltre, i film superconduttori sono accoppiati con gioghi Mu-metal che si combinano per schermare tutti gli altri campi magnetici e stabiliscono un campo zero attorno al campione per studiare gli spin dei materiali nel loro stato naturale.

"Raggiungere la superconduttività richiede una quantità significativa di potenza di raffreddamento. Il niobio deve essere raffreddato a meno di 10 K per mantenere la superconduttività, quindi i progetti europei richiedevano sistemi di raffreddamento estesi che dovevano essere spesso riempiti manualmente con elio liquido, ", ha detto Jiang.

"Con i film YBCO ad alta temperatura, possiamo usare un frigorifero a ciclo chiuso monostadio per raffreddare il film molto al di sotto della sua temperatura critica, quindi non siamo preoccupati per eventuali perdite di superconduttività. E, con l'aggiunta del sistema di riempimento automatico di elio liquido per il criostato e il sistema di refrigerazione a ciclo chiuso, il dispositivo sarà più facile da usare e più efficiente."

Cosa c'è di più, il sistema è compatto rispetto ai sistemi precedenti:i superconduttori ad alta temperatura che annullano la necessità di un grande sistema di raffreddamento lo rendono mobile.

"Se qualcosa, c'è una testimonianza di quanto sia portatile il dispositivo. L'abbiamo spostato nel reattore nucleare dell'Università del Missouri, poi di nuovo all'HFIR, e da HFIR a SNS, " disse Silva. "L'ho montato e smontato più volte, e ogni volta ho trovato modi più semplici per collegare i pezzi, solo piccoli cambiamenti sulla qualità della vita che stiamo apportando per migliorarne l'utilità".

Il sistema è stato testato con successo, in cui sono state effettuate misurazioni di polarizzazione completa utilizzando diversi materiali noti tra cui silicio, ossido di manganese, e bismuto-ossido di ferro.

Il team prevede di implementare il sistema presso lo spettrometro a tre assi PTAX di HFIR e il diffrattometro GP-SANS, che sarà ottimizzato per il fascio di neutroni stazionario del reattore, con piena capacità prevista entro la fine del 2020.

Successivamente, il team svilupperà un simile dispositivo di polarimetria a neutroni sferici esclusivamente per lo strumento HYSPEC presso SNS, che lo renderà l'unico strumento al mondo che accoppia un array di super specchi e una capacità grandangolare. Il dispositivo beneficerà anche delle capacità uniche abilitate dall'acceleratore a sorgente pulsata SNS.

"Intanto, " ha detto Winn, "Avremo un cavallo di battaglia in PTAX che ci farà impazzire".