Спиновое эхо нейтронного резонанса

.

Спиновое эхо нейтронного резонанса — это метод квазиупругого рассеяния нейтронов, разработанный Гэлером и Голубом. В своей классической форме он используется аналогично традиционной спектрометрии нейтронного спинового эха (NSE) для квазиупругого рассеяния крошечные изменения энергии от образца к нейтрону , когда необходимо разрешить . В отличие от NSE, большие магнитные соленоиды заменены двумя резонансными флипперами соответственно. Это позволяет использовать варианты в сочетании с трехосными спектрометрами для разрешения узкой ширины линии возбуждения или MIEZE (модуляция IntEnsity с нулевым усилием) для деполяризующих условий и некогерентного рассеяния, которые невозможны при использовании обычного NSE.

Методы нейтронного спинового эха достигают очень высокого энергетического разрешения в сочетании с очень высокой интенсивностью нейтронов за счет отделения энергетического разрешения прибора от разброса длин волн нейтронов. Перенос энергии нейтронов закодирован в их поляризации , а не в изменении длины волны рассеянных нейтронов. Итоговая поляризация нейтрона дает (нормированную) промежуточную функцию рассеяния S(Q,τ), дающую прямую информацию о процессах релаксации , энергиях активации и амплитудах динамических процессов в исследуемых образцах.

Как это работает

Классический метод NSE (рис. 1. а)) основан на прецессии Ламора нейтрона , которой подвергается спин при полете через статические магнитные поля . Однако существует несколько других схем NSE, в которых используются резонансные перевороты спина в магнитном радиочастотном поле для достижения того же эффекта на нейтрон, такие как нейтронное резонансное спиновое эхо (NRSE) и модуляция интенсивности с нулевым усилием (MIEZE). ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

В NRSE статические магнитные поля, создаваемые большими катушками постоянного тока в NSE, заменяются двумя резонансными флипперными катушками, создающими статическое магнитное поле B ₀ и перпендикулярное ему радиочастотное (RF) поле с частотой ω _RF (рис. 1. b). ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Нейтрон, попадающий в первый резонансный флиппер, испытывает резонансный π-флип, индуцированный статическим полем B ₀ , прецессируя за с частотой ω _L ( ламоровская частота ), равной ω _RF , и совершая Раби – колебания счет ВЧ поля. В классическом NRSE путь между двумя флипперами не подвергается воздействию магнитного поля, и фаза вращения не изменяется. Во второй резонансной флипперной катушке нейтрон совершает еще один резонансный π-флип. Эффект, который эти два ласта оказывают на спин нейтрона, идентичен действию эффективного статического магнитного поля, используемого в NSE. ^{[ 1 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Продольное резонансное спиновое эхо

Исходная установка NRSE была спроектирована в поперечной конфигурации (T-NRSE, рис. 1. б)), где поле B ₀ лежит поперек направления вращения. В таком виде энергетическое разрешение установки ограничено точностью изготовления катушек B ₀ до нескольких наносекунд. Пространство между поперечными катушками NRSE должно быть свободным от поля и поэтому экранировано корпусом из мю-металла . ^{[ 8 ]} Упомянутые выше недостатки привели к разработке конструкции продольного NRSE (L-NRSE, рис. 1. d)), которая сочетает в себе преимущества как классического NSE, так и T-NRSE. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} В отличие от традиционного поперечного метода NRSE, цилиндрическо-симметричная продольная конфигурация NRSE позволяет использовать направляющие поля через весь спектрометр, уменьшая усилия по поддержанию поляризации нейтронов. Это делает экранировку из мю-металла, необходимую для поперечного NRSE, устаревшей и облегчает поддержание поляризации нейтронов с большими длинами волн λ. Эти нейтроны особенно важны для методов НУЭ, поскольку их разрешение увеличивается с ростом λ. ³. ^{[ 11 ]} При использовании геометрии продольного поля для нерасходящегося пучка нейтронов не требуется никаких поправок к полю, а поправки для расходящихся траекторий нейтронов как минимум в 10 раз меньше по сравнению с обычным НУЭ.

В сочетании с ТАС

RF-флипперные катушки, используемые в NRSE, намного меньше катушек постоянного тока, используемых в классическом NSE, что приводит к значительному уменьшению полей рассеяния вокруг катушек. Это позволяет наклонять флипперные катушки RF и выполнять NRSE в конфигурации трехосного спектрометра. Наклон катушек делает возможной фокусировку спинового эха, при которой вся дисперсия энергии возбуждения может быть измерена с очень высоким разрешением (всего 1 мкэВ) по всей зоне Бриллюэна. Таким образом, этот метод позволяет исследовать ширины линий рассеивающих возбуждений, включая как фононы , так и магноны , по всей зоне Бриллюэна . ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

КИТТИ

Одним из недостатков классических NSE и NRSE является тот факт, что деполяризация нейтронного пучка приводит к полной потере сигнала, что делает невозможными измерения в деполяризующих условиях, таких как очень большие магнитные поля. Кроме того, невозможно измерить образцы, вызывающие деполяризацию нейтронного пучка, такие как ферромагнетики и сверхпроводники . Из-за преобладания некогерентного рассеяния материалы, содержащие большое количество водорода, также трудно измерить с помощью обычного NSE, а также NRSE. Чтобы обойти эти недостатки, был введен метод MIEZE (модуляция интенсивности с нулевым усилием) как в поперечной, так и в продольной конфигурации (рис. 1. c) и e)).

В конфигурации MIEZE первые два RF спин-флиппера работают на разных частотах (в отличие от традиционного NRSE, где они работают на одной и той же частоте), что приводит к синусоидальной временной модуляции измеряемого сигнала, которая обнаруживается детектором, чувствительным ко времени и положению. . ^{[ 16 ]}^{[ 4 ]}^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}^{[ 19 ]} Эта установка позволяет разместить все устройства манипулирования спином (включая анализатор) перед образцом, что позволяет измерять (деполяризующие) образцы в деполяризующих условиях. ^{[ 20 ]}^{[ 11 ]} Следуя той же номенклатуре, что и NRSE, поперечное MIEZE относится к конфигурации, в которой поле B ₀ расположено поперек нейтронного пучка, тогда как для продольного MIEZE поле B ₀ направлено вдоль нейтронного пучка.

Специальные инструменты

В приведенном ниже списке представлен обширный список приборов нейтронного спинового эха, которые используются (или планируются) в настоящий момент. Большинство этих приборов работает на непрерывных источниках нейтронов, использующих холодные нейтроны . Очень немногие инструменты используются в различных условиях, которые указаны ниже.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Гелер, Р.; Голуб, Р. (сентябрь 1987 г.). «Нейтронный спектрометр высокого разрешения для квазиупругого рассеяния на основе спинового эха и магнитного резонанса». Журнал физики Б. 65 (3): 269–273. Бибкод : 1987ZPhyB..65..269G . дои : 10.1007/bf01303712 . ISSN 0722-3277 . S2CID 122941165 .
^ Голуб Р.; Гелер, Р. (июль 1987 г.). «Нейтронно-резонансный спин-эхо-спектрометр квазиупругого и неупругого рассеяния». Буквы по физике А. 123 (1): 43–48. Бибкод : 1987PhLA..123...43G . дои : 10.1016/0375-9601(87)90760-2 . ISSN 0375-9601 .
^ Шмидт, CJ; Гройтл, Ф.; Кляйн, М.; Шмидт, У.; Хойсслер, В. (2010). «КАСКАД с NRSE: методы быстрой модуляции интенсивности, используемые в квазиупругом рассеянии нейтронов» . Физический журнал: серия конференций . 251 (1): 012067. Бибкод : 2010JPhCS.251a2067S . дои : 10.1088/1742-6596/251/1/012067 . ISSN 1742-6596 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Гелер, Р.; Голуб Р.; Келлер, Т. (июнь 1992 г.). «Спиновое эхо нейтронного резонанса — новый инструмент для спектроскопии высокого разрешения». Физика Б: Конденсированное вещество . 180–181: 899–902. Бибкод : 1992PhyB..180..899G . дои : 10.1016/0921-4526(92)90503-к . ISSN 0921-4526 .
^ Хойсслер, В.; Бони, П.; Кляйн, М.; Шмидт, CJ; Шмидт, У.; Гройтл, Ф.; Киндерватер, Дж. (апрель 2011 г.). «Обнаружение высокочастотных колебаний интенсивности на РЕСЕДА с помощью детектора КАСКАД». Обзор научных инструментов . 82 (4): 045101–045101–6. Бибкод : 2011RScI...82d5101H . дои : 10.1063/1.3571300 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 21529033 .
^ Хойсслер, Вольфганг; Шмидт, Ульрих (2005). «Вычитание эффективного интеграла поля с помощью комбинации спинового эха и резонансного спинового эха». Физ. хим. хим. Физ . 7 (6): 1245–1249. Бибкод : 2005PCCP....7.1245H . дои : 10.1039/b419281h . ПМИД 19791340 .
^ Швинк, Ч.; Шерпф, О. (сентябрь 1975 г.). «Решение уравнения Паули для нейтронов в переменных магнитных полях и его применение к отражению и передаче в спиральных магнитных структурах». Zeitschrift für Physik B. 21 (3): 305–311. Бибкод : 1975ZPhyB..21..305S . дои : 10.1007/BF01313312 . S2CID 120162371 .
^ Киндерватер, Дж.; Мартин, Н.; Хойслер, В.; Краутлохер, М.; Фукс, К.; Мюльбауэр, С.; Лим, Дж.А.; Блэкберн, Э.; Бони, П.; Пфлайдерер, К.; Фрик, Б.; Коза, ММ; Бём, М.; Мутка, Х. (23 января 2015 г.). «Нейтронная спин-эхо-спектроскопия в магнитном поле напряженностью 17 Тл в RESEDA». Сеть конференций EPJ . 83 : 03008. arXiv : 1406.0405 . Бибкод : 2015EPJWC..8303008K . дои : 10.1051/epjconf/20158303008 . S2CID 27167009 .
^ Хойсслер, Вольфганг; Шмидт, Ульрих; Элерс, Георг; Мезей, Ференц (август 2003 г.). «Спиновое эхо нейтронного резонанса с использованием катушек коррекции спинового эха». Химическая физика . 292 (2–3): 501–510. Бибкод : 2003CP....292..501H . дои : 10.1016/S0301-0104(03)00119-8 .
^ Хойсслер, В; Шмидт, Ю; Дабберс, Д. (июль 2004 г.). «Увеличенный телесный угол в спиновом эхе нейтронного резонанса». Физика Б: Конденсированное вещество . 350 (1–3): E799–E802. Бибкод : 2004PhyB..350E.799H . дои : 10.1016/j.physb.2004.03.208 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Георгий Р.; Киндерватер, Дж.; Пфлайдерер, К.; Бони, П. (ноябрь 2016 г.). «РЕСПЕКТ: Нейтронно-резонансный спин-эхо-спектрометр для экстремальных исследований». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 837 : 123–135. arXiv : 1608.00836 . Бибкод : 2016NIMPA.837..123G . дои : 10.1016/j.nima.2016.08.004 . S2CID 118558790 .
^ Пинн, Р. (ноябрь 1978 г.). «Нейтронное спин-эхо и трехосные спектрометры». Физический журнал E: Научные инструменты . 11 (11): 1133–1140. Бибкод : 1978JPhE...11.1133P . дои : 10.1088/0022-3735/11/11/015 .
^ Келлер, Т.; Хабихт, К.; Кланн, Х.; Оль, М.; Шнайдер, Х.; Кеймер, Б. (1 декабря 2002 г.). «Спектрометр НРЭИ-ТАС на ФРМ-2». Прикладная физика A: Материаловедение и обработка . 74 : с332–с335. Бибкод : 2002АпФА..74С.332К . дои : 10.1007/s003390201612 . S2CID 121780746 .
^ Келлер, Т.; Кеймер, Б.; Хабихт, К.; Голуб Р.; Мезей, Ф. (2002). «Нейтронно-резонансное спиновое эхо - трехосевая спектрометрия (NRSE-TAS)». Нейтронная спин-эхо-спектроскопия . Конспект лекций по физике. Том. 601. стр. 74–86. дои : 10.1007/3-540-45823-9_8 . ISBN 978-3-540-44293-6 .
^ Гройтл, Ф.; Келлер, Т.; Кинтеро-Кастро, ДЛ; Хабихт, К. (февраль 2015 г.). «Модернизация спин-эха нейтронного резонанса на трехосном спектрометре FLEXX». Обзор научных инструментов . 86 (2): 025110. Бибкод : 2015RScI...86b5110G . дои : 10.1063/1.4908167 . ПМИД 25725891 .
^ Безенбёк, В.; Гелер, Р.; Хэнк, П.; Кан, Р.; Кеппе, М.; Де Новион, К.-Х.; Петри, В.; Вуттке, Дж. (1 апреля 1998 г.). «Первый эксперимент по рассеянию на MIEZE: времяпролетный спектрометр с преобразованием Фурье с использованием резонансных катушек». Журнал нейтронных исследований . 7 (1): 65–74. дои : 10.1080/10238169808200231 .
^ Хэнк, П.; Безенбёк, В.; Гелер, Р.; Кеппе, М. (июнь 1997 г.). «Методы спинового эха нейтронов в нулевом поле для некогерентного рассеяния». Физика Б: Конденсированное вещество . 234–236: 1130–1132. Бибкод : 1997PhyB..234.1130H . дои : 10.1016/S0921-4526(97)89269-1 .
^ Хойсслер, В.; Бони, П.; Кляйн, М.; Шмидт, CJ; Шмидт, У.; Гройтл, Ф.; Киндерватер, Дж. (апрель 2011 г.). «Обнаружение высокочастотных колебаний интенсивности на РЕСЕДА с помощью детектора КАСКАД». Обзор научных инструментов . 82 (4): 045101–045101–6. Бибкод : 2011RScI...82d5101H . дои : 10.1063/1.3571300 . ПМИД 21529033 .
^ Шмидт, CJ; Гройтл, Ф; Кляйн, М; Шмидт, Ю; Хойсслер, В. (1 ноября 2010 г.). «КАСКАД с NRSE: методы быстрой модуляции интенсивности, используемые в квазиупругом рассеянии нейтронов» . Физический журнал: серия конференций . 251 (1): 012067. Бибкод : 2010JPhCS.251a2067S . дои : 10.1088/1742-6596/251/1/012067 .
^ Краутлоер, Максимилиан; Киндерватер, Йонас; Келлер, Томас; Хойслер, Вольфганг (декабрь 2016 г.). «Спиновое эхо нейтронного резонанса с продольными полями постоянного тока». Обзор научных инструментов . 87 (12): 125110. Бибкод : 2016RScI...87l5110K . дои : 10.1063/1.4972395 . ПМИД 28040941 .

[Gähler_269–273-1] Перейти обратно: ^а ^б Гелер, Р.; Голуб, Р. (сентябрь 1987 г.). «Нейтронный спектрометр высокого разрешения для квазиупругого рассеяния на основе спинового эха и магнитного резонанса». Журнал физики Б. 65 (3): 269–273. Бибкод : 1987ZPhyB..65..269G . дои : 10.1007/bf01303712 . ISSN 0722-3277 . S2CID 122941165 .

[2] Голуб Р.; Гелер, Р. (июль 1987 г.). «Нейтронно-резонансный спин-эхо-спектрометр квазиупругого и неупругого рассеяния». Буквы по физике А. 123 (1): 43–48. Бибкод : 1987PhLA..123...43G . дои : 10.1016/0375-9601(87)90760-2 . ISSN 0375-9601 .

[3] Шмидт, CJ; Гройтл, Ф.; Кляйн, М.; Шмидт, У.; Хойсслер, В. (2010). «КАСКАД с NRSE: методы быстрой модуляции интенсивности, используемые в квазиупругом рассеянии нейтронов» . Физический журнал: серия конференций . 251 (1): 012067. Бибкод : 2010JPhCS.251a2067S . дои : 10.1088/1742-6596/251/1/012067 . ISSN 1742-6596 .

[Gähler_1992-4] Перейти обратно: ^а ^б Гелер, Р.; Голуб Р.; Келлер, Т. (июнь 1992 г.). «Спиновое эхо нейтронного резонанса — новый инструмент для спектроскопии высокого разрешения». Физика Б: Конденсированное вещество . 180–181: 899–902. Бибкод : 1992PhyB..180..899G . дои : 10.1016/0921-4526(92)90503-к . ISSN 0921-4526 .

[5] Хойсслер, В.; Бони, П.; Кляйн, М.; Шмидт, CJ; Шмидт, У.; Гройтл, Ф.; Киндерватер, Дж. (апрель 2011 г.). «Обнаружение высокочастотных колебаний интенсивности на РЕСЕДА с помощью детектора КАСКАД». Обзор научных инструментов . 82 (4): 045101–045101–6. Бибкод : 2011RScI...82d5101H . дои : 10.1063/1.3571300 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 21529033 .

[6] Хойсслер, Вольфганг; Шмидт, Ульрих (2005). «Вычитание эффективного интеграла поля с помощью комбинации спинового эха и резонансного спинового эха». Физ. хим. хим. Физ . 7 (6): 1245–1249. Бибкод : 2005PCCP....7.1245H . дои : 10.1039/b419281h . ПМИД 19791340 .

[7] Швинк, Ч.; Шерпф, О. (сентябрь 1975 г.). «Решение уравнения Паули для нейтронов в переменных магнитных полях и его применение к отражению и передаче в спиральных магнитных структурах». Zeitschrift für Physik B. 21 (3): 305–311. Бибкод : 1975ZPhyB..21..305S . дои : 10.1007/BF01313312 . S2CID 120162371 .

[8] Киндерватер, Дж.; Мартин, Н.; Хойслер, В.; Краутлохер, М.; Фукс, К.; Мюльбауэр, С.; Лим, Дж.А.; Блэкберн, Э.; Бони, П.; Пфлайдерер, К.; Фрик, Б.; Коза, ММ; Бём, М.; Мутка, Х. (23 января 2015 г.). «Нейтронная спин-эхо-спектроскопия в магнитном поле напряженностью 17 Тл в RESEDA». Сеть конференций EPJ . 83 : 03008. arXiv : 1406.0405 . Бибкод : 2015EPJWC..8303008K . дои : 10.1051/epjconf/20158303008 . S2CID 27167009 .

[9] Хойсслер, Вольфганг; Шмидт, Ульрих; Элерс, Георг; Мезей, Ференц (август 2003 г.). «Спиновое эхо нейтронного резонанса с использованием катушек коррекции спинового эха». Химическая физика . 292 (2–3): 501–510. Бибкод : 2003CP....292..501H . дои : 10.1016/S0301-0104(03)00119-8 .

[10] Хойсслер, В; Шмидт, Ю; Дабберс, Д. (июль 2004 г.). «Увеличенный телесный угол в спиновом эхе нейтронного резонанса». Физика Б: Конденсированное вещество . 350 (1–3): E799–E802. Бибкод : 2004PhyB..350E.799H . дои : 10.1016/j.physb.2004.03.208 .

[nimp-11] Перейти обратно: ^а ^б Георгий Р.; Киндерватер, Дж.; Пфлайдерер, К.; Бони, П. (ноябрь 2016 г.). «РЕСПЕКТ: Нейтронно-резонансный спин-эхо-спектрометр для экстремальных исследований». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 837 : 123–135. arXiv : 1608.00836 . Бибкод : 2016NIMPA.837..123G . дои : 10.1016/j.nima.2016.08.004 . S2CID 118558790 .

[12] Пинн, Р. (ноябрь 1978 г.). «Нейтронное спин-эхо и трехосные спектрометры». Физический журнал E: Научные инструменты . 11 (11): 1133–1140. Бибкод : 1978JPhE...11.1133P . дои : 10.1088/0022-3735/11/11/015 .

[13] Келлер, Т.; Хабихт, К.; Кланн, Х.; Оль, М.; Шнайдер, Х.; Кеймер, Б. (1 декабря 2002 г.). «Спектрометр НРЭИ-ТАС на ФРМ-2». Прикладная физика A: Материаловедение и обработка . 74 : с332–с335. Бибкод : 2002АпФА..74С.332К . дои : 10.1007/s003390201612 . S2CID 121780746 .

[14] Келлер, Т.; Кеймер, Б.; Хабихт, К.; Голуб Р.; Мезей, Ф. (2002). «Нейтронно-резонансное спиновое эхо - трехосевая спектрометрия (NRSE-TAS)». Нейтронная спин-эхо-спектроскопия . Конспект лекций по физике. Том. 601. стр. 74–86. дои : 10.1007/3-540-45823-9_8 . ISBN 978-3-540-44293-6 .

[15] Гройтл, Ф.; Келлер, Т.; Кинтеро-Кастро, ДЛ; Хабихт, К. (февраль 2015 г.). «Модернизация спин-эха нейтронного резонанса на трехосном спектрометре FLEXX». Обзор научных инструментов . 86 (2): 025110. Бибкод : 2015RScI...86b5110G . дои : 10.1063/1.4908167 . ПМИД 25725891 .

[16] Безенбёк, В.; Гелер, Р.; Хэнк, П.; Кан, Р.; Кеппе, М.; Де Новион, К.-Х.; Петри, В.; Вуттке, Дж. (1 апреля 1998 г.). «Первый эксперимент по рассеянию на MIEZE: времяпролетный спектрометр с преобразованием Фурье с использованием резонансных катушек». Журнал нейтронных исследований . 7 (1): 65–74. дои : 10.1080/10238169808200231 .

[17] Хэнк, П.; Безенбёк, В.; Гелер, Р.; Кеппе, М. (июнь 1997 г.). «Методы спинового эха нейтронов в нулевом поле для некогерентного рассеяния». Физика Б: Конденсированное вещество . 234–236: 1130–1132. Бибкод : 1997PhyB..234.1130H . дои : 10.1016/S0921-4526(97)89269-1 .

[18] Хойсслер, В.; Бони, П.; Кляйн, М.; Шмидт, CJ; Шмидт, У.; Гройтл, Ф.; Киндерватер, Дж. (апрель 2011 г.). «Обнаружение высокочастотных колебаний интенсивности на РЕСЕДА с помощью детектора КАСКАД». Обзор научных инструментов . 82 (4): 045101–045101–6. Бибкод : 2011RScI...82d5101H . дои : 10.1063/1.3571300 . ПМИД 21529033 .

[19] Шмидт, CJ; Гройтл, Ф; Кляйн, М; Шмидт, Ю; Хойсслер, В. (1 ноября 2010 г.). «КАСКАД с NRSE: методы быстрой модуляции интенсивности, используемые в квазиупругом рассеянии нейтронов» . Физический журнал: серия конференций . 251 (1): 012067. Бибкод : 2010JPhCS.251a2067S . дои : 10.1088/1742-6596/251/1/012067 .

[20] Краутлоер, Максимилиан; Киндерватер, Йонас; Келлер, Томас; Хойслер, Вольфганг (декабрь 2016 г.). «Спиновое эхо нейтронного резонанса с продольными полями постоянного тока». Обзор научных инструментов . 87 (12): 125110. Бибкод : 2016RScI...87l5110K . дои : 10.1063/1.4972395 . ПМИД 28040941 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

Как это работает

Продольное резонансное спиновое эхо

В сочетании с ТАС

КИТТИ

Специальные инструменты

НШЭ

НРСЭ

КИТТИ

Трехосный спектрометр – NRSE

Ссылки