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eco de espín por resonancia de neutrones

La técnica de eco de espín por resonancia de neutrones es una técnica de dispersión de neutrones cuasielástica desarrollada por Gähler y Golub. En su forma clásica, se utiliza d...

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La técnica de eco de espín por resonancia de neutrones es una técnica de dispersión de neutrones cuasielástica desarrollada por Gähler y Golub. En su forma clásica, se utiliza de forma análoga a la espectrometría de eco de espín de neutrones (NSE) convencional para la dispersión cuasielástica, donde se deben resolver pequeños cambios de energía entre la muestra y el neutrón . A diferencia de la NSE, los grandes solenoides magnéticos se reemplazan por dos inversores resonantes. Esto permite variantes que, en combinación con espectrómetros de triple eje, permiten resolver anchos de línea estrechos de excitaciones o MIEZE (Modulación de IntEnsidad con Esfuerzo Cero) para condiciones despolarizantes y dispersión incoherente, lo cual no es posible con la NSE convencional.

Las técnicas de eco de espín de neutrones logran una resolución energética muy alta, combinada con una intensidad de neutrones muy alta, mediante el desacoplamiento de la resolución energética del instrumento respecto de la dispersión de longitud de onda de los neutrones. La transferencia de energía de los neutrones se codifica en su polarización , y no en el cambio de longitud de onda de los neutrones dispersados. La polarización final de los neutrones proporciona la función de dispersión intermedia (normalizada) S(Q,τ), que ofrece información directa sobre los procesos de relajación , las energías de activación y las amplitudes de los procesos dinámicos en las muestras analizadas.

Cómo funciona

La técnica clásica de NSE (Figura 1. a)) se basa en la precesión de Lamor que experimenta el espín del neutrón al atravesar campos magnéticos estáticos . Sin embargo, existen otros esquemas de NSE que emplean inversiones de espín resonantes en un campo de radiofrecuencia magnético para lograr el mismo efecto en el neutrón, como el eco de espín resonante de neutrones (NRSE) y la modulación de intensidad por esfuerzo cero (MIEZE). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

En NRSE, los campos magnéticos estáticos producidos por las grandes bobinas de CC en NSE se reemplazan por dos bobinas de inversión resonantes, que producen un campo magnético estático B 0 y un campo de radiofrecuencia (RF) perpendicular a este, de frecuencia ω RF (Figura 1. b). [ 4 ] [ 5 ]

Un neutrón que entra en el primer flipper resonante experimenta un giro π resonante inducido por el campo estático B₀ mientras precesa con una frecuencia ωL ( la frecuencia de Lamor ) igual a ωRF y realiza oscilaciones de Rabi debido al campo RF. En la NRSE clásica, la trayectoria entre los dos flippers se mantiene libre de cualquier campo magnético y la fase de espín no cambia. En la segunda bobina flipper resonante, el neutrón experimenta otro giro π resonante. El efecto que estos dos flippers tienen sobre el espín del neutrón es idéntico a la acción de un campo magnético estático efectivo como el utilizado en la NSE. [ 1 ] [ 6 ] [ 7 ]

Eco de espín por resonancia longitudinal

La configuración NRSE original se diseñó en una configuración transversal (T-NRSE, Figura 1. b)) donde el campo B 0 se encuentra transversal a la dirección de giro. En esta forma, la resolución energética de la configuración está limitada por la precisión de producción de las bobinas B 0 a unos pocos nanosegundos. El espacio entre las bobinas NRSE transversales debe estar libre de campo y, por lo tanto, está blindado por una carcasa de mu-metal . [ 8 ] Los inconvenientes mencionados anteriormente llevaron al desarrollo del diseño NRSE longitudinal (L-NRSE, Figura 1. d)) para combinar las ventajas tanto de NSE clásico como de T-NRSE. [ 9 ] [ 10 ] A diferencia de la técnica NRSE transversal convencional, la configuración NRSE longitudinal cilíndricamente simétrica permite el uso de campos guía a través de todo el espectrómetro, reduciendo el esfuerzo para mantener la polarización de neutrones. Esto hace que el blindaje de mu-metal requerido para NRSE transversal sea obsoleto y facilita el mantenimiento de la polarización de neutrones con grandes longitudes de onda λ. Estos neutrones son particularmente importantes para las técnicas NSE, ya que su resolución aumenta con λ 3 . [ 11 ] Utilizando una geometría de campo longitudinal, no se requieren correcciones de campo para un haz de neutrones no divergente, mientras que las correcciones para trayectorias de neutrones divergentes son al menos un factor de 10 más pequeñas en comparación con NSE convencional.

En combinación con TAS

Las bobinas de inversión de RF utilizadas en NRSE son mucho más pequeñas que las bobinas de CC utilizadas en NSE clásico, lo que conlleva una gran reducción de los campos dispersos alrededor de las bobinas. Esto permite inclinar las bobinas de inversión de RF y realizar NRSE en una configuración de espectrómetro de triple eje. La inclinación de las bobinas posibilita el enfoque del eco de espín, donde se puede medir la dispersión de energía completa de una excitación con muy alta resolución (tan baja como 1 μeV) en toda la zona de Brillouin. Por lo tanto, esta técnica permite investigar los anchos de línea de las excitaciones dispersivas, incluyendo tanto fonones como magnones , en toda la zona de Brillouin . [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

MIEZE

Una desventaja de los métodos NSE y NRSE clásicos es que la despolarización del haz de neutrones provoca una pérdida total de la señal, lo que imposibilita la medición en condiciones despolarizantes, como campos magnéticos muy intensos. Además, no es posible medir muestras que causan la despolarización del haz de neutrones, como los ferromagnetos y los superconductores . Debido a la gran cantidad de dispersión incoherente, los materiales que contienen grandes cantidades de hidrógeno también son difíciles de medir utilizando los métodos NSE y NRSE convencionales. Para superar estos inconvenientes, se introdujo el método MIEZE (Modulación de la IntEnsidad con Esfuerzo Cero) en configuración transversal y longitudinal (Figura 1. c) y e)).

En la configuración MIEZE, los dos primeros flippers de espín de RF operan a frecuencias diferentes (a diferencia del NRSE tradicional, donde operan a la misma frecuencia), lo que produce una modulación temporal sinusoidal de la señal medida, que es detectada por un detector sensible al tiempo y a la posición. [ 16 ] [ 4 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] Esta configuración permite colocar todos los dispositivos de manipulación de espín (incluido el analizador) aguas arriba de la muestra, lo que permite medir muestras (despolarizantes) en condiciones despolarizantes. [ 20 ] [ 11 ] Siguiendo la misma nomenclatura que el NRSE transversal, MIEZE se refiere a una configuración donde el campo B 0 se encuentra transversal al haz de neutrones, mientras que para MIEZE longitudinal el campo B 0 apunta a lo largo del haz de neutrones.

Instrumentos especializados

La siguiente lista ofrece un extenso catálogo de instrumentos de eco de espín de neutrones en uso (o en fase de planificación). La mayoría de estos instrumentos funcionan con fuentes de neutrones continuas que utilizan neutrones fríos . Muy pocos instrumentos se utilizan en condiciones diferentes, las cuales se indican a continuación.

Bolsa de Valores de Nueva Zelanda (NSE)

NRSE

MIEZE

Espectrómetro de triple eje – NRSE

Referencias

  1. 1 2 Gähler, R.; Golub, R. (septiembre de 1987). "Un espectrómetro de neutrones de alta resolución para dispersión cuasielástica basada en eco de espín y resonancia magnética". Zeitschrift für Physik B. 65 (3): 269– 273. Bibcode : 1987ZPhyB..65..269G . doi : 10.1007/bf01303712 . ISSN 0722-3277 . S2CID 122941165 .  
  2. ↑ Golub, R.; Gähler, R. (julio de 1987). "Un espectrómetro de eco de espín por resonancia de neutrones para dispersión cuasielástica e inelástica". Physics Letters A. 123 ( 1): 43– 48. Bibcode : 1987PhLA..123...43G . doi : 10.1016/0375-9601(87)90760-2 . ISSN 0375-9601 . 
  3. ↑ Schmidt, CJ; Groitl, F.; Klein, M.; Schmidt, U.; Häussler, W. (2010). "CASCADE con NRSE: Técnicas de modulación de intensidad rápida utilizadas en la dispersión cuasielástica de neutrones" . Journal of Physics: Conference Series . 251 (1) 012067. Bibcode : 2010JPhCS.251a2067S . doi : 10.1088/1742-6596/251/1/012067 . ISSN 1742-6596 . 
  4. 1 2 Gähler, R.; Golub, R.; Keller, T. (junio de 1992). "Eco de espín por resonancia de neutrones: una nueva herramienta para espectroscopia de alta resolución". Physica B: Condensed Matter . 180–181 : 899–902 . Bibcode : 1992PhyB..180..899G . doi : 10.1016/0921-4526(92)90503-k . ISSN 0921-4526 . 
  5. ↑ Häussler, W.; Böni, P.; Klein, M.; Schmidt, CJ; Schmidt, U.; Groitl, F.; Kindervater, J. (Abr 2011). "Detección de oscilaciones de intensidad de alta frecuencia en RESEDA utilizando el detector CASCADE". Review of Scientific Instruments . 82 (4): 045101–045101–6. Bibcode : 2011RScI...82d5101H . doi : 10.1063/1.3571300 . ISSN 0034-6748 . PMID 21529033 .  
  6. ↑ Häussler, Wolfgang; Schmidt, Ulrich (2005). "Sustracción efectiva de la integral de campo mediante la combinación de eco de espín y eco de espín resonante". Phys. Chem. Chem. Phys . 7 (6): 1245– 1249. Bibcode : 2005PCCP....7.1245H . doi : 10.1039/b419281h . PMID 19791340 . 
  7. ↑ Schwink, Ch.; Schärpf, O. (septiembre de 1975). "Solución de la ecuación de Pauli para neutrones en campos magnéticos variables y su aplicación a la reflexión y transmisión en estructuras magnéticas helicoidales". Zeitschrift für Physik B. 21 ( 3): 305–311 . Bibcode : 1975ZPhyB..21..305S . doi : 10.1007/BF01313312 . S2CID 120162371 . 
  8. ↑ Kindervater, J.; Martín, N.; Häußler, W.; Krautloher, M.; Fuchs, C.; Mühlbauer, S.; Lim, JA; Blackburn, E.; Boni, P.; Pfleiderer, C.; Frick, B.; Koza, MM; Böhm, M.; Mutka, H. (23 de enero de 2015). "Espectroscopia de eco de espín de neutrones bajo un campo magnético de 17 T en RESEDA". Web de Conferencias EPJ . 83 : 03008. arXiv : 1406.0405 . Código Bib : 2015EPJWC..8303008K . doi : 10.1051/epjconf/20158303008 . S2CID 27167009 . 
  9. ↑ Häussler, Wolfgang; Schmidt, Ulrich; Ehlers, Georg; Mezei, Ferenc (agosto de 2003). "Eco de espín por resonancia de neutrones utilizando bobinas de corrección de eco de espín". Chemical Physics . 292 ( 2–3 ): 501–510 . Bibcode : 2003CP....292..501H . doi : 10.1016/S0301-0104(03)00119-8 .
  10. ↑ Häussler, W; Schmidt, U; Dubbers, D (julio de 2004). "Aumento del ángulo sólido en el eco de espín por resonancia de neutrones". Physica B: Condensed Matter . 350 ( 1–3 ): E799 –E802. Bibcode : 2004PhyB..350E.799H . doi : 10.1016/j.physb.2004.03.208 .
  11. 1 2 Georgii, R.; Kindervater, J.; Pfleiderer, C.; Böni, P. (noviembre de 2016). "RESPECT: espectrómetro de eco de espín de resonancia de neutrones para estudios extremos". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment . 837 : 123– 135. arXiv : 1608.00836 . Bibcode : 2016NIMPA.837..123G . doi : 10.1016/j.nima.2016.08.004 . S2CID 118558790 . 
  12. ↑ Pynn, R (noviembre de 1978). "Espectrómetros de eco de espín de neutrones y de tres ejes". Journal of Physics E: Scientific Instruments . 11 (11): 1133– 1140. Bibcode : 1978JPhE...11.1133P . doi : 10.1088/0022-3735/11/11/015 .
  13. ↑ Keller, T.; Habicht, K.; Klann, H.; Ohl, M.; Schneider, H.; Keimer, B. (1 de diciembre de 2002). "El espectrómetro NRSE-TAS en el FRM-2". Applied Physics A: Materials Science & Processing . 74 : s332– s335. Bibcode : 2002ApPhA..74S.332K . doi : 10.1007/s003390201612 . S2CID 121780746 . 
  14. ↑ Keller, T.; Keimer, B.; Habicht, K.; Golub, R.; Mezei, F. (2002). "Espectrometría de triple eje por eco de espín de resonancia de neutrones (NRSE-TAS)". Espectroscopia de eco de espín de neutrones . Notas de clase en física. Vol. 601. págs. 74–86 . doi : 10.1007/3-540-45823-9_8 . ISBN   978-3-540-44293-6.
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  16. ↑ Besenböck, W.; Gähler, R.; Hank, P.; Kahn, R.; Köppe, M.; De Novion, C. -H.; Petry, W.; Wuttke, J. (1 de abril de 1998). "Primer experimento de dispersión en MIEZE: un espectrómetro de tiempo de vuelo de transformada de Fourier que utiliza bobinas de resonancia". Journal of Neutron Research . 7 (1): 65– 74. doi : 10.1080/10238169808200231 .
  17. ↑ Hank, P.; Besenböck, W.; Gähler, R.; Köppe, M. (junio de 1997). "Técnicas de eco de espín de neutrones de campo cero para dispersión incoherente". Physica B: Condensed Matter . 234–236 : 1130–1132 . Bibcode : 1997PhyB..234.1130H . doi : 10.1016/S0921-4526(97)89269-1 .
  18. ↑ Häussler, W.; Böni, P.; Klein, M.; Schmidt, CJ; Schmidt, U.; Groitl, F.; Kindervater, J. (abril de 2011). "Detección de oscilaciones de intensidad de alta frecuencia en RESEDA utilizando el detector CASCADE". Review of Scientific Instruments . 82 (4): 045101–045101–6. Bibcode : 2011RScI...82d5101H . doi : 10.1063/1.3571300 . PMID 21529033 . 
  19. ↑ Schmidt, CJ; Groitl, F; Klein, M; Schmidt, U; Häussler, W (1 de noviembre de 2010). "CASCADE con NRSE: Técnicas de modulación de intensidad rápida utilizadas en la dispersión cuasielástica de neutrones" . Journal of Physics: Conference Series . 251 (1) 012067. Bibcode : 2010JPhCS.251a2067S . doi : 10.1088/1742-6596/251/1/012067 .
  20. ↑ Krautloher, Maximilian; Kindervater, Jonas; Keller, Thomas; Häußler, Wolfgang (diciembre de 2016). "Eco de espín por resonancia de neutrones con campos de CC longitudinales". Review of Scientific Instruments . 87 (12): 125110. Bibcode : 2016RScI...87l5110K . doi : 10.1063/1.4972395 . PMID 28040941 .