科学家利用新一代中子反射镜揭开物质的内在秘密

0 cnBeta.COM 2024-03-29 10:31:51

摘要：

改进后的中子反射镜可以提高中子源的材料分析效率，例如正在瑞典隆德郊外建造的欧洲溅射源。林雪平大学（Linköping University）的研究人员通过在硅板上涂上极薄的铁和硅混合碳化硼层，开发出了改进型中子反射镜。他们的研究发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。

林雪平大学薄膜物理学部研究员 Fredrik Eriksson 说："与其提高中子源的功率（这是非常昂贵的），不如专注于改进光学技术。"

中子与质子一起构成原子核。根据原子核中中子数量的不同，元素的性质也会不同。此外，中子还可用于对不同材料进行非常细致的分析。这种方法称为中子散射。

这种测量在被称为中子源的特殊中子研究实验室进行。欧洲中子源（ESS）就是这样一个实验室，目前正在隆德郊外建造。该项目投资 20 亿欧元。

ESS和其他中子源可以比作先进的显微镜，让科学家能够研究各种材料及其特性，直至原子级别。从研究原子结构、材料动力学、磁性到蛋白质功能，它们被广泛应用于各种领域。

中子从原子核中释放出来需要巨大的能量。当中子在中子源中释放出来时，它们必须被捕获并被引向目标，也就是要研究的材料。特殊的反射镜用于引导和偏振中子。这些被称为中子光学。

尽管 ESS 将拥有世界上最强大的中子源，但实验中可用的中子数量有限。为了增加到达仪器的中子数量，需要改进偏振光学。林雪平大学的研究人员通过在几个重要点上改进中子光学技术来提高效率，现在已经实现了这一目标。

林雪平大学博士生 Anton Zubayer 观察磁控溅射过程。图片来源：Olov Planthaber

"我们的镜子具有更好的反射率，从而增加了到达目标的中子数量。"物理、化学和生物系博士生兼《科学进展》（Science Advances）上发表的这篇文章的第一作者安东-祖拜尔（Anton Zubayer）说："镜子还能更好地将中子极化为相同的自旋，这对极化实验非常重要。"

他继续说道："同时，由于不再需要大型磁铁，镜子可以放置在离样品或其他敏感设备更近的地方，而不会影响样品本身，这反过来又使新型实验成为可能。此外，我们还减少了漫散射，这意味着我们可以降低测量中的背景噪音。"

技术创新与未来展望

反射镜是在硅衬底上制造的。通过一种称为磁控溅射的工艺，可以在基片上镀上选定的元素。这种工艺可以在基板上镀上多层薄膜，即多层膜。在这种情况下，可以使用铁和硅薄膜，并与同位素富集的碳化硼混合。如果各层的厚度与中子波长的数量级相同，并且各层之间的界面非常光滑，那么中子就能以相位相交的方式从镜面射出，从而产生高反射率。