Specchi di neutroni migliorati possono aumentare l'efficienza dell'analisi dei materiali nelle sorgenti di neutroni come la European Spallation Source. Lo specchio migliorato è stato sviluppato dai ricercatori dell'Università di Linköping rivestendo una piastra di silicio con strati estremamente sottili di ferro e silicio mescolati con carburo di boro. Il loro studio è stato pubblicato sulla rivista Science Advances .
"Invece di aumentare la potenza della sorgente di neutroni, che è estremamente costosa, è meglio concentrarsi sul miglioramento dell'ottica", afferma Fredrik Eriksson, ricercatore presso la divisione di fisica dei film sottili dell'Università di Linköping.
Insieme ai protoni, i neutroni formano i nuclei atomici. A seconda del numero di neutroni in un nucleo, le proprietà dell'elemento possono differire. Inoltre, i neutroni possono essere utilizzati anche per analizzare diversi materiali a un livello molto dettagliato. Questo metodo è chiamato scattering di neutroni.
Tali misurazioni vengono effettuate in speciali laboratori di ricerca sui neutroni chiamati sorgenti di neutroni. Uno di questi laboratori, l’European Spallation Source, o ESS, è ora in costruzione fuori Lund. Si tratta di un investimento di 2 miliardi di euro.
L'ESS e altre fonti di neutroni possono essere paragonati a microscopi avanzati che consentono agli scienziati di studiare vari materiali e le loro proprietà fino al livello atomico. Sono utilizzati in tutto, dallo studio delle strutture atomiche, della dinamica dei materiali e del magnetismo, alle funzioni delle proteine.
Richiede enormi quantità di energia affinché i neutroni vengano rilasciati dai nuclei atomici. Quando i neutroni vengono rilasciati nella sorgente di neutroni, devono essere catturati e diretti verso il loro bersaglio, cioè il materiale da indagare. Specchi speciali vengono utilizzati per dirigere e polarizzare i neutroni. Queste sono conosciute come ottica neutronica.
Sebbene l'ESS disporrà della sorgente di neutroni più potente al mondo, il numero di neutroni disponibili negli esperimenti sarà limitato. Per aumentare il numero di neutroni che raggiungono gli strumenti, sono necessarie ottiche polarizzanti migliorate. Questo è qualcosa che i ricercatori dell'Università di Linköping sono riusciti a ottenere migliorando l'ottica dei neutroni su diversi punti importanti per aumentare l'efficienza.
"I nostri specchi hanno una migliore riflettanza, che aumenta il numero di neutroni che raggiungono il loro bersaglio. Lo specchio può anche polarizzare molto meglio i neutroni nello stesso spin, il che è importante per gli esperimenti polarizzati", afferma Anton Zubayer, dottorando presso il Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia e autore principale di Science Advances articolo.
E continua:"Inoltre, poiché ciò non richiede più un grande magnete, lo specchio può essere posizionato più vicino ai campioni o ad altre apparecchiature sensibili senza influenzare i campioni stessi, il che a sua volta consente nuovi tipi di esperimenti. Inoltre, abbiamo anche ridotto la diffusione diffusa, il che significa che possiamo ridurre il rumore di fondo nelle misurazioni."
Gli specchi sono realizzati su un substrato di silicio. Attraverso un processo chiamato magnetron sputtering, è possibile rivestire il substrato con elementi selezionati. Questo processo consente di rivestirlo con più pellicole sottili una sopra l'altra, ovvero una pellicola multistrato.
In questo caso vengono utilizzati film di ferro e silicio, miscelati con carburo di boro arricchito isotopico. Se lo spessore degli strati è dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda dei neutroni e l'interfaccia tra gli strati è molto liscia, i neutroni possono uscire dallo specchio in fase tra loro, conferendo un'elevata riflettività.
Fredrik Eriksson ritiene che ogni neutrone sia prezioso e che ogni piccolo miglioramento nell'efficienza dell'ottica dei neutroni sia prezioso per migliorare gli esperimenti.
"Aumentando il numero di neutroni e riflettendo anche energie neutroniche più elevate, si aprono opportunità per esperimenti pionieristici e scoperte rivoluzionarie in discipline tra cui fisica, chimica, biologia e medicina", afferma Fredrik Eriksson.
L'analisi dei neutroni sfrutta la capacità dei neutroni di comportarsi sia come un'onda che come una particella. Questi neutroni, a loro volta, possono avere due spin diversi. È importante soprattutto per gli studi magnetici poter utilizzare neutroni polarizzati, cioè neutroni con un solo spin specifico.
Ulteriori informazioni: Anton Zubayer et al, Ottica per neutroni amorfi riflettente, polarizzante e magneticamente morbida con B 4 C arricchito con 11 B, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0402
Fornito dall'Università di Linköping
