Метод, опубликованный сегодня в Physical Review Letters, может превратить то, что исторически было вспомогательным инструментом для нейтронной науки, в полноценную технику сканирования, которая может выявлять детали размером от 1 нанометра до 10 микрометров внутри более крупных объектов. Такой подход предоставляет этому инструменту, известному как нейтронная интерферометрия, то, что по сути является его первыми подвижными «линзами», способными увеличивать и уменьшать масштаб деталей в этом диапазоне размеров — диапазоне, который трудно исследовать даже с помощью других методов нейтронного сканирования. .Точнее, эти «линзы» представляют собой кремниевые пластины, действующие как дифракционные решетки, которые используют волнообразные свойства нейтронов.
Решетки разделяют и перенаправляют пучок нейтронов, так что волны отражаются от краев объекта, а затем сталкиваются друг с другом, создавая видимую муаровую интерференционную картину, характерную для объекта, которую легко интерпретировать специалистам.Этот метод был разработан группой исследователей из Национального института стандартов и технологий (NIST), Национальных институтов здравоохранения (NIH) и Канадского университета Ватерлоо. По словам Майкла Хубера из NIST, такой подход может превратить нейтронную интерферометрию в один из лучших исследовательских инструментов в наборе материаловедов.
«Мы можем смотреть на структуру на множестве разных уровней и в разных масштабах», — сказал Хубер, физик из Лаборатории физических измерений NIST, проводящий эксперименты в Центре нейтронных исследований NIST (NCNR). «Он может дополнять другие методы сканирования, потому что его разрешение очень хорошее. Он обладает потрясающей способностью фокусироваться, и мы не ограничены рассмотрением тонких срезов материала, как с другими методами — мы можем легко заглянуть внутрь толстого куска рок."Интерферометрия — это специальность нейтронной науки. Прежде чем ученые смогут исследовать внутреннюю часть объекта с помощью пучка нейтронов, они должны сначала получить несколько фундаментальных деталей о том, как нейтроны будут отражаться от атомной структуры объекта.
Одной из этих деталей является показатель преломления вещества, число, указывающее, насколько оно будет изгибать луч от направления, в котором движется. (Вода изгибает свет похожим образом — вот почему ваша рука выглядит так, как будто она отклоняется, когда вы погружаете ее в бассейн.) Нейтронная интерферометрия — лучший способ получить это важное измерение.Нейтронная интерферометрия также имеет потенциал для других применений в фундаментальной физике, например, для точного измерения гравитационной постоянной. Он достаточно чувствителен, чтобы обнаружить, как гравитационная сила объекта может отклонять нейтроны, точно так же, как Земля притягивает летающий шар (и наоборот). Но ахиллесова пята нейтронного метода заключается в том, насколько медленно он работает.
Чтобы сфокусировать нейтроны на образце материала, интерферометру требовался кристалл, вырезанный с точными размерами из единого большого блока дорогого кремния высшего качества. (Другие нейтронные методы могут обойтись кристаллами гораздо более низкого качества.)К сожалению, кристаллы, которые достаточно хороши для интерферометрии, также блокируют большинство падающих на них нейтронов, а это означает, что лучу требуется много времени, чтобы отправить достаточно нейтронов мимо образца, чтобы получить точный показатель преломления. Другие задачи займут гораздо больше времени.«Источники нейтронов уже очень слабые, — сказал Дмитрий Пушин из Ватерлоо. «Потребуется сто лет, чтобы получить хороший ответ на фундаментальные вопросы, такие как значение гравитационной постоянной».
Новый подход позволяет обойти эти проблемы за счет использования трех тонких кремниевых решеток для фокусировки нейтронов вместо одного дорогостоящего кристалла. Под микроскопом плоская поверхность каждой решетки выглядит как гребешок с узкими близко расположенными зубцами. Решетки не только позволяют проходить через них всему пучку нейтронов, а не струйке нейтронов, проходящей через кристалл, но и имеют главное преимущество — подвижность.
«Вы фокусируетесь, перемещая решетку на долю миллиметра», — сказал Хубер. «Это легко, но не сложно».Продемонстрированный в Центре нейтронных исследований NIST, подход команды основан на открытии, первоначально сделанном в NIH, когда ученые экспериментировали с применением решеток к рентгеновским лучам и заметили муаровый узор, формирующийся на их визуализаторе.«Идея была впервые разработана нашей лабораторией для получения изображения материалов, в которых рентгеновские лучи движутся со скоростью, немного отличающейся от скорости в воздухе, например, самого человеческого тела», — сказал Хан Вэнь, старший научный сотрудник Национального центра кардиологии легких NIH. и Институт крови. «Центральным элементом этой идеи являются рентгеновские решетки, которые были изготовлены с помощью высокоспециализированных инструментов на предприятии NIST Nanofab».К счастью, ученые NIST и Waterloo встретились с членами команды NIH на конференции и начали сотрудничество, подозревая, что решетки будут работать как для нейтронов, так и для рентгеновских лучей.
Команда NIH вернула решетки в NIST, где из них был собран нейтронный интерферометр.После столь же хороших результатов в NCNR, Хубер сказал, что только одно препятствует тому, чтобы их интерферометр стал отличным инструментом для промышленности: им нужен набор апертур разной ширины, через которые пройдет нейтронный пучок, прежде чем он попадет в интерферометр.
Прямо сейчас в их распоряжении только одна апертура, что ограничивает их обзор.«Сейчас мы можем видеть весь диапазон от 1 нанометра до 10 микрометров, но изображение выглядит размытым, потому что мы не получаем достаточно данных», — сказал он. «Каждая апертура дает нам еще одну точку данных, и с достаточным количеством точек мы можем начать количественный анализ микроструктуры материала.
Мы надеемся, что сможем получить набор из сотен штук, что позволит нам получить подробную количественную информацию. . "Команда уже просканировала внутреннюю часть блока гранита, который содержит смесь четырех различных минералов, и сканирование показывает детали того, где находится каждый кусок минерала. Хубер сказал, что этот метод будет хорош для неинвазивного сканирования пористых объектов, таких как метеориты, или промышленных материалов, таких как гели или пены, которые являются основой многих потребительских товаров.«Мы также надеемся, что наконец сможем измерить гравитационную постоянную», — сказал он. «Мы могли бы поставить рядом большой кусок какого-нибудь тяжелого металла, такого как вольфрам, и посмотреть, как он изгибает луч.
Это улучшит наше понимание Вселенной и не займет больше времени, чем наша жизнь».