Gli scienziati che spingono i limiti degli strumenti di diffusione dei neutroni più avanzati al mondo sanno che una piccola quantità di distorsione nelle loro misurazioni è inevitabile. Per alcuni esperimenti, questa distorsione è facilmente spiegabile, ma in altri tipi di ricerca può causare risultati imprecisi.

Perché una piccola quantità di distorsione è importante? È simile a quando un detective solleva un'impronta digitale da un bicchiere d'acqua. La curvatura del vetro distorce leggermente l'impronta digitale, rendendo difficile la corrispondenza tra la stampa e l'impronta digitale di un sospetto in archivio. In tal caso, sarebbe utile se ci fosse un modo per rimuovere la distorsione dall'impronta digitale trovata sul vetro.

Qualcosa del genere si è verificato quando gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno utilizzato lo spettrometro di scattering di neutroni SEQUOIA di livello mondiale presso lo Spallation Neutron Source (SNS) dell'ORNL. I ricercatori stavano misurando le dispersioni delle onde di spin da un materiale cristallino magnetico. Hanno scoperto che i dati (l'impronta digitale) ottenuti da SEQUOIA (il vetro) erano leggermente distorti dai limiti di risoluzione dello strumento, nonostante il suo design all'avanguardia.

Per risolvere il problema, i ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica computazionale che ha migliorato la risoluzione effettiva di SEQUOIA del 500% in modo da far corrispondere i dati ai valori di dispersione dell'onda di spin noti. Inoltre, questa soluzione è praticamente gratuita poiché non richiede hardware aggiuntivo e utilizza software open source.

I risultati dei loro sforzi sono stati pubblicati sulla rivista AIP Review of Scientific Instruments .

"Avevamo previsto che se potessimo misurare la quantità di distorsione inerente alla raccolta dei dati di SEQUOIA, avremmo quindi potuto applicare una correzione che avrebbe aumentato la risoluzione effettiva dello strumento", ha affermato Jiao Lin, scienziato capo dello sviluppo dello strumento per il CUPI ² Strumento D alla Second Target Station (STS). "È simile a come gli oculisti valutano la tua vista e poi prescrivono occhiali correttivi o lenti a contatto per compensare la distorsione della tua vista."

A differenza degli oculisti che testano solo in tre dimensioni, gli scienziati avevano bisogno di misurare la distorsione di SEQUOIA su quattro dimensioni. Ciò ha reso il compito molte volte più impegnativo. Fortunatamente, i ricercatori hanno avuto accesso al software open source MCViNE di ORNL, che può essere utilizzato per emulare esperimenti sui neutroni per le onde di spin misurate da strumenti a neutroni come SEQUOIA. Il team credeva di poter applicare il software in un modo diverso per ottenere misurazioni 4D della distorsione.

"Per semplificare le misurazioni 4D, abbiamo utilizzato il software MCViNE per effettuare misurazioni 2D lungo due assi alla volta. L'abbiamo fatto sia per l'immagine sperimentale distorta che per il modello idealizzato ad alta risoluzione che abbiamo sviluppato", ha affermato Matt Stone, scienziato principale dello strumento SEQUOIA al SNS. "Abbiamo quindi ripetuto le misurazioni 2D lungo molti altri assi e interpolato i risultati per approssimare un modello 4D. In questo modo siamo stati in grado di misurare le disparità tra l'immagine reale e il nostro modello."

Il team ha adattato una tecnologia di visione stereo computazionale paragonabile a come gli occhiali 3D creano l'illusione della profondità nei film. Potrebbero visualizzare la distorsione lungo i vari assi del modello una fetta alla volta e compensare le distorsioni nelle loro misurazioni originali. La tecnica della super risoluzione ha raggiunto una risoluzione fino a 5 volte migliore rispetto ai metodi precedenti.

"Una volta identificata la quantità e la posizione della distorsione nei dati rispetto al modello idealizzato, siamo stati in grado di applicare correzioni ai dati", ha affermato Gabriele Sala, scienziato principale dello strumento della linea di luce STS CHESS. "Abbiamo quindi utilizzato il set di dati corretto per generare una dispersione dell'onda di spin molto più accurata che corrispondesse a uno dei possibili modelli noti."

I ricercatori sono fiduciosi che lo stesso approccio di super risoluzione possa essere applicato ad altri strumenti ed esperimenti di neutroni. "Questa tecnica può essere utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni sperimentali", ha affermato Lin.

Per una risoluzione e una precisione ancora maggiori, il team pensa che sarà possibile aggiornare la tecnica di risoluzione 2D per risolvere direttamente le misurazioni 4D. Ciò potrebbe anche rimuovere la limitazione della dispersione singola. + Esplora ulteriormente

Il nuovo software ORNL migliora la risoluzione dei dati della spettroscopia di neutroni