作者杰里米·拉姆齐，橡树岭国家实验室 球形中子极化仪的特点是增强的超导技术，加上改进的冷却系统，通过在新的维度上研究奇异的磁现象，为美国的研究增加了新的能力
信用:ORNL/彼得姜，吉纳维芙马丁 从最基本的层面理解磁性对于开发更强大的电子器件至关重要，但是具有更复杂磁性结构的材料需要更复杂的工具来研究它们——强大的工具简称为“中子”
" 美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的两个世界上最强大的中子散射源正在升级
增加一种叫做球形中子极化测量的先进能力将使研究人员能够使用ORNL的高通量同位素反应堆(HFIR)和散裂中子源(SNS)来测量具有奇异磁性结构和量子态的材料，这在美国以前是无法实现的
“中子是研究磁现象的理想材料，”ORNL博士后研究员尼古拉斯·席尔瓦说
“它们是电中性的，或者没有电荷，并表现出磁矩，这使它们本身就像微小的磁铁
" 当中子穿过一种材料并散射掉由该材料的原子产生的磁场时，它们会描绘出一幅原子肖像，甚至是该材料原子排列的三维模型，并揭示出系统中原子的行为
中子有一个“自旋”或方向，就像冰箱磁铁的北极和南极
在典型的中子束中，束中的中子具有随机排列的自旋
然而，测量某些高度动态或复杂的磁系统需要更大的均匀性，这是由极化中子束提供的，其中每个中子自旋平行排列并具有相同的方向
仪器科学家巴里·温说:“中子偏振滤光器可以让我们看穿我们不想看到的东西，这些东西可能会混淆我们感兴趣的信号。”
“类似于偏光镜如何让垂钓者看到鱼在下面游泳，否则鱼会被水的反射挡住
" 中子散射时会以可预测的方式改变自旋
使用偏振光束使研究人员能够通过在光束撞击样品之前建立中子自旋和测量中子自旋来更好地理解材料中发生的事情
例如，在散射过程中，中子的自旋可能向相反的方向翻转
“在美国，迄今为止我们对极化中子所做的大多数测量都是基于中子在从物质或其磁场中散射后，是否旋转了180度或保持了其方向
我们称之为旋转翻转和非旋转翻转，”温说
“但这有个问题
如果我们从样本中得到任何非自旋翻转或自旋翻转的散射——或者不是0度和180度的散射——那么这个策略就会在我们面前爆炸
" 这种策略适用于传统的磁性材料，如铁磁体和反铁磁体，在这种材料中，所有的磁性原子要么指向同一个方向，要么指向不同的方向，但保持与其邻居平行
然而，该策略不适用于更复杂的磁性结构
例如，当研究奇异粒子时，这项技术是有限的，例如sky rmion——显示手征运动的准粒子，或者缠结的漩涡，或者不对称场线的漩涡
这种粒子为用于高级数据存储和量子计算应用的材料提供了令人兴奋的潜力
为了解决这个问题，极化科学家江彼得带领ORNL团队(包括Winn和Silva)在实验室指导的研究和开发项目中，为多个ORNL束线开发球形中子极化测量
这项技术将能够对不符合传统自旋翻转和非自旋翻转畴的材料进行中子测量，或者换句话说，将使研究人员能够看到其间存在的动态磁行为
“传统的技术还不足以研究某些复杂的磁系统，”姜说
“现在，我们不再局限于旋转翻转
这让我们可以看到以前无法理解的磁性排列
" 球形中子偏振仪已经在欧洲使用，现在蒋和团队正在将该技术应用于SNS和的仪器
他们是在王天浩正在进行的研究的基础上开发这项技术的，王天浩最初是印第安纳大学布鲁明顿分校的研究生，后来在ORNL团队做博士后研究
这项基本技术结合了安装在入射光束(入射光束)和射出光束(散射光束)上的额外光学器件，可以测量任何方向的散射中子
ORNL技术建立在以前的原型设计基础上，并将提供多项创新
利用ORNL球形中子偏振测量装置，散射束轨迹不需要与入射束成一直线，而是可以围绕样品成一定角度
“这意味着如果中子没有完全翻转，我们可以调整另一端的磁场，或者移动仪器来检测不同方向的中子散射，”席尔瓦解释道
该团队还开发了两个独立的冷却系统，使研究人员能够研究磁性结构如何随着温度的变化而变化
第一个系统冷却位于样品两侧的两个球形中子极化组件，使其超导
第二个系统引入了额外的具有液氦自动再填充能力的低温恒温器，使研究人员能够更容易地在一个温度范围内探索材料，而不会干扰第一个系统超导所需的温度
最后，球形中子偏振测量装置由更有效的材料制成
先前的设计使用铌作为超导板，而新的设计使用钇钡铜氧化物(YBCO)，在93开尔文(-292华氏度)下超导，这一温度明显高于其铌的前身
此外，超导薄膜与金属轭耦合，金属轭可以屏蔽所有其他磁场，并在样品周围建立零磁场，以研究材料在自然状态下的自旋
“实现超导需要大量的冷却能力
铌需要被冷却到10 K以下以保持超导性，所以欧洲的设计需要大量的冷却系统，这些系统必须经常用液氦来手动补充。”蒋说
“有了高温YBCO薄膜，我们可以使用单级闭环冰箱将薄膜冷却到远低于其临界温度的温度，因此我们不担心超导性的任何损失
并且，随着低温恒温器和闭合循环制冷系统的液氦自动填充系统的增加，该装置将更容易使用和更有效
" 此外，与以前的系统相比，该系统更紧凑——高温超导体消除了对大型冷却系统的需求，使其具有可移动性
“如果说有什么不同的话，那就是这款设备的便携性
我们已经把它转移到密苏里大学的核反应堆，然后回到HFIR，再从HFIR转移到SNS
“我把它放在一起，又把它拆开过多次，每次我都找到更简单的方法来连接各个部分——只是我们为了提高它的效用而做的一些生活质量的改变
" 该系统已经过成功测试，其中使用包括硅、氧化锰和氧化铋铁在内的几种已知材料进行了全极化测量
该团队计划在HFIR的PTAX三轴光谱仪和GP-SANS衍射仪上实施该系统，该系统将针对反应堆的稳态中子束进行优化，预计在2020年底实现全部功能
随后，该团队将开发一种类似的球形中子偏振测量装置，专门用于美国国家科学院的HYSPEC仪器，这将使其成为世界上唯一一种具有超反射镜阵列和广角功能的仪器
该设备还将受益于由SNS脉冲源加速器实现的独特功能
“与此同时，”温说，“我们将在家长教师会有一个让我们大吃一惊的工作狂
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
