在最基本層面上了解磁性對于開發(fā)更強(qiáng)大的電子產(chǎn)品至關(guān)重要，但具有更復(fù)雜磁性結(jié)構(gòu)的材料，需要更復(fù)雜的工具來研究它們。美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）兩個(gè)世界上最強(qiáng)大的中子散射源正在升級。

增加一種名為球形中子偏振測量的先進(jìn)能力，將使使用橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)和散裂中子源(SNS)的研究人員，能夠測量具有奇異磁結(jié)構(gòu)和量子態(tài)的材料，這些材料以前是無法獲得的。

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室博士后研究員尼古拉斯·席爾瓦(Nicolas Silva)說：中子是研究磁現(xiàn)象的理想選擇，中子是電中性的（不帶電荷），并且表現(xiàn)出磁矩，這讓它們本身就像微小的磁鐵。當(dāng)中子穿過材料并散射出由材料原子產(chǎn)生的磁場時(shí)，它們繪制了材料原子排列的原子肖像，甚至是3-D模型，并揭示了系統(tǒng)內(nèi)原子的行為方式。中子有“自旋”或取向，就像冰箱磁鐵的北極和南極一樣，在典型的中子束中，束內(nèi)的中子具有隨機(jī)排列的自旋。

然而，測量某些高度動態(tài)或復(fù)雜的磁系統(tǒng)需要更多均勻性，這是由極化中子束提供，在極化中子束中，每個(gè)中子自旋平行并以相同的方向排列。儀器科學(xué)家巴里·溫說：中子偏振濾光片可以讓我們看透那些看不到的東西，這些東西可能會混淆信號。類似于偏振鏡片可以讓垂釣者看到魚在下面游來游去，否則這些魚就會被水的反射所阻擋。中子散射時(shí)會以可預(yù)見的方式改變自旋，使用偏振光束使研究人員能夠更好地了解材料中發(fā)生的事情。

方法是在光束擊中樣品之前建立中子自旋，并測量中子自旋。例如，在散射過程中，中子的自旋可能會向相反的方向翻轉(zhuǎn)。到目前為止，對極化中子所做的大多數(shù)測量都是基于中子在從材料或其磁場散射后，是否會旋轉(zhuǎn)180度或保持其方向不變，研究稱之為自旋翻轉(zhuǎn)和非自旋翻轉(zhuǎn)。但這有一個(gè)問題：如果從樣品上得到的任何散射不是非自旋翻轉(zhuǎn)或自旋翻轉(zhuǎn)，那么這個(gè)策略就會失敗。

這一策略對鐵磁體和反鐵磁體等傳統(tǒng)磁性材料很有效，在這些材料中，所有的磁原子要么指向同一方向，要么指向交替方向，但仍與相鄰原子平行，然而不適用于更復(fù)雜的磁結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)涉及到研究奇異粒子時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)是有限的，比如Skyrmions-表現(xiàn)出手性特征運(yùn)動的準(zhǔn)粒子，或者糾纏的漩渦，或者不對稱場線的漩渦。這種粒子為用于先進(jìn)數(shù)據(jù)存儲和量子計(jì)算應(yīng)用的材料提供了令人興奮的潛力。

為了解決這個(gè)問題，偏振科學(xué)家Peter正在領(lǐng)導(dǎo)包括Winn和Silva在內(nèi)的ORNL團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研發(fā)項(xiàng)目，以開發(fā)用于多個(gè)ORNL光束線的球面中子偏振測量。這項(xiàng)技術(shù)將使不符合傳統(tǒng)自旋翻轉(zhuǎn)和非自旋翻轉(zhuǎn)磁疇材料的中子測量成為可能，換句話說，將使研究人員能夠看到存在于兩者之間的動態(tài)磁行為。傳統(tǒng)技術(shù)還不夠復(fù)雜，不足以研究某些復(fù)雜的磁系統(tǒng)，現(xiàn)在不再局限于旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)，這讓研究人員可以看到以前無法弄清楚的磁性排列。

球面中子偏振儀已經(jīng)在歐洲使用，現(xiàn)在研究團(tuán)隊(duì)正在將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于SNS和HFIR的儀器。這項(xiàng)基本技術(shù)包括安裝在擊中樣品的入射光束(入射光束)和散射出的出射光束上的額外光學(xué)設(shè)備，這使得能夠測量任何方向的散射中子。ORNL技術(shù)建立在以前的原型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，并將提供幾項(xiàng)創(chuàng)新。使用ORNL球面中子偏振裝置，散射束的軌跡不需要與入射光束一致，而是可以繞樣品成角度。這意味著如果中子沒有完全翻轉(zhuǎn)，可以調(diào)整另一端的磁場，或者移動儀器來探測不同方向的中子散射。

研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了兩個(gè)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，使研究人員能夠研究磁結(jié)構(gòu)如何隨著溫度的變化而變化。第一個(gè)系統(tǒng)冷卻位于樣品兩側(cè)的兩個(gè)球形中子極化分量，使其超導(dǎo)。第二個(gè)系統(tǒng)引入了一個(gè)額外具有液氦自動充填能力的低溫恒溫器，使研究人員可以更容易地在一定溫度范圍內(nèi)探索材料，而不會干擾第一個(gè)系統(tǒng)中超導(dǎo)所需的溫度，最后，用更高效的材料制作了球形中子偏振裝置。

以前的設(shè)計(jì)將鈮用于超導(dǎo)薄片，而新設(shè)計(jì)使用了一種超導(dǎo)溫度為93開爾文(-292°F)的釔鋇銅氧化物(YBCO)，這比其前身鈮的溫度高得多。此外，超導(dǎo)薄膜與金屬鉬磁軛耦合在一起，屏蔽所有其他磁場，并在樣品周圍建立零場，以研究材料在其自然狀態(tài)下的自旋。達(dá)到超導(dǎo)性需要相當(dāng)大的冷卻功率，鈮需要冷卻到10K以下才能保持超導(dǎo)電性，所以歐洲的設(shè)計(jì)需要很大的冷卻系統(tǒng)，而這些冷卻系統(tǒng)必須經(jīng)常手動補(bǔ)充液氦。

有了高溫YBCO薄膜，可以使用單級閉路制冷機(jī)將薄膜冷卻到遠(yuǎn)低于其臨界溫度，所以不擔(dān)心超導(dǎo)電性的任何損失。而且，有了為恒溫器和閉路循環(huán)制冷系統(tǒng)增加的液氦自動填充系統(tǒng)，該設(shè)備將更容易使用，效率也更高。更重要的是，與以前的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)非常小型。高溫超導(dǎo)體消除了對大型冷卻系統(tǒng)的需求，使其可以移動。如果說有什么不同的話，那就是證明了該設(shè)備的便攜程度，該系統(tǒng)已經(jīng)成功地進(jìn)行了測試：

其中使用了包括硅、錳氧化物和鉍鐵氧化物在內(nèi)的幾種已知材料進(jìn)行了全極化測量。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在HFIR的PTAX三軸光譜儀和GP-SANS衍射儀上實(shí)施該系統(tǒng)，該系統(tǒng)將針對反應(yīng)堆的穩(wěn)態(tài)中子束進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)計(jì)到2020年底全面具備能力。并將專門為SNS的HYSPEC儀器開發(fā)類似球面中子偏振裝置，這將使其成為世界上唯一將超級反射鏡陣列和廣角能力結(jié)合在一起的儀器。該設(shè)備還將受益于SNS脈沖源加速器提供的獨(dú)特功能。

博科園｜研究/來自：橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

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