No puedes ver bien sin lentes que puedan enfocar ya sea que esos lentes estén en su ojo o en el microscopio por el que mira. Una nueva forma innovadora de enfocar haces de neutrones podría permitir a los científicos sondear el interior de objetos opacos en un rango de tamaño al que estaban ciegos anteriormente. permitiéndoles explorar las entrañas de objetos, desde meteoritos hasta materiales fabricados de vanguardia sin dañarlos.

El método, publicado hoy en Cartas de revisión física , podría convertir lo que históricamente ha sido una herramienta de apoyo para la ciencia de neutrones en una técnica de escaneo completa que podría revelar detalles que varían en tamaño desde 1 nanómetro hasta 10 micrómetros dentro de objetos más grandes. El enfoque proporciona esta herramienta, conocida como interferometría de neutrones, con lo que son esencialmente sus primeros "lentes" móviles capaces de acercar y alejar detalles en este rango de tamaño, un rango que ha sido difícil de sondear, incluso con otros métodos de exploración de neutrones.

Más precisamente, estas "lentes" son obleas de silicio que actúan como rejillas de difracción, que aprovechan las propiedades onduladas de los neutrones. Las rejillas se dividen y redirigen un haz de neutrones para que las ondas reboten en los bordes de un objeto y luego choquen entre sí. creando un patrón de interferencia de muaré visible representativo del objeto que sea fácil de interpretar para los expertos.

El método fue desarrollado por un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), los Institutos Nacionales de Salud (NIH), y la Universidad de Waterloo de Canadá. Según Michael Huber de NIST, el enfoque podría convertir la interferometría de neutrones en una de las mejores herramientas exploratorias en el equipo de un científico de materiales.

"Podemos analizar la estructura en muchos niveles diferentes y en diferentes escalas, "dijo Huber, un físico del Laboratorio de Medición Física del NIST que realiza experimentos en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST (NCNR). "Podría complementar otras técnicas de escaneo porque su resolución es muy buena. Tiene una capacidad espectacular para enfocar, y no estamos limitados a mirar porciones delgadas de material como con otros métodos; podemos mirar fácilmente dentro de un grueso trozo de roca ".

La interferometría es una especialidad en el mundo de la ciencia de los neutrones. Antes de que los científicos puedan sondear el interior de un objeto con un haz de neutrones, primero deben poseer algunos detalles fundamentales sobre cómo los neutrones rebotarán en la estructura atómica del objeto. Uno de esos detalles es el índice de refracción de una sustancia, un número que indica cuánto doblará el rayo desde la dirección en la que viaja. (El agua dobla la luz de una manera similar; por eso parece que su brazo se dobla cuando lo sumerge en una piscina). La interferometría de neutrones es la mejor manera de obtener esa medida crucial.

La interferometría de neutrones también tiene potencial para otros usos en física fundamental, como medir con precisión la constante gravitacional. Es lo suficientemente sensible como para detectar cómo la fuerza gravitacional de un objeto puede desviar neutrones, al igual que la Tierra atrae una bola voladora (y viceversa). Pero el talón de Aquiles del método de neutrones ha sido lo lento que funciona. Para enfocar neutrones en una muestra de material, un interferómetro ha necesitado un cristal tallado a dimensiones precisas de un solo bloque grande de costoso, Silicona de primera calidad. (Otras técnicas de neutrones pueden funcionar con cristales de calidad mucho menor).

Desafortunadamente, Los cristales que son lo suficientemente buenos para la interferometría también bloquean la mayoría de los neutrones que los golpean, lo que significa que se necesita mucho tiempo para que un haz envíe suficientes neutrones a través de una muestra para obtener un índice de refracción preciso. Otras tareas llevarían mucho más tiempo.

"Las fuentes de neutrones ya son muy débiles, ", dijo Dmitry Pushin de Waterloo." Se necesitarían cien años para obtener una buena respuesta a preguntas fundamentales como el valor de la constante gravitacional ".

El nuevo enfoque evita estos problemas mediante el uso de un trío de rejillas delgadas de silicio para enfocar los neutrones en lugar de un solo cristal costoso. Bajo un microscopio la superficie plana de cada rejilla parece un peine con estrecho, dientes estrechamente espaciados. Las rejillas no solo permiten que todo el haz de neutrones pase a través de ellas, en lugar del goteo de neutrones que atraviesa el cristal, sino que tienen la ventaja fundamental de ser móviles.

"Te enfocas moviendo la rejilla una fracción de milímetro, "Dijo Huber." Es leve pero no difícil ".

Demostrado en el Centro NIST de Investigación de Neutrones, El enfoque del equipo se basa en un descubrimiento realizado inicialmente en los NIH, donde los científicos estaban experimentando con la aplicación de rejillas a haces de rayos X y notaron que se formaba un patrón muaré en su generador de imágenes.

"La idea fue desarrollada por primera vez por nuestro laboratorio para capturar la imagen de materiales donde los rayos X viajan a velocidades ligeramente diferentes que en el aire, como el propio cuerpo humano, "dijo Han Wen, investigador principal del National Heart de los NIH, Pulmón, e Instituto de Sangre. "En el centro de esta idea son las rejillas de rayos X, que se hicieron con las herramientas altamente especializadas en las instalaciones de NIST Nanofab ".

Fortuitamente, los científicos de NIST y Waterloo se reunieron con los miembros del equipo de los NIH en una conferencia y entablaron una colaboración, sospechando que las rejillas funcionarían tan bien con neutrones como con rayos X. El equipo de los NIH devolvió las rejillas al NIST, donde se ensamblaron en el interferómetro de neutrones.

Después de resultados igualmente buenos en el NCNR, Huber dijo que solo una cosa se interpone en el camino de que su interferómetro se convierta en una gran herramienta para la industria:necesitan un conjunto de aberturas de diferentes anchos por donde pasará el haz de neutrones antes de que llegue al interferómetro. Ahora, solo tienen una abertura a su disposición, y limita su visión.

"Ahora podemos ver el rango completo de 1 nanómetro a 10 micrómetros, pero la imagen está un poco borrosa porque no obtenemos suficientes datos, ", dijo." Cada apertura diferente nos da otro punto de datos, y con suficientes puntos podemos empezar a hacer análisis cuantitativos de la microestructura de un material. Esperamos poder hacer un conjunto de tal vez un centenar, lo que nos permitiría obtener información cuantitativa detallada ".

El equipo ya ha escaneado el interior de un bloque de granito que contiene una mezcla de cuatro minerales diferentes, y el escaneo muestra los detalles de dónde se encuentra cada bit de mineral. Huber dijo que el método sería bueno para escaneos no invasivos de objetos porosos como meteoritos o materiales manufacturados. como geles o espumas, que son la base de muchos productos de consumo.

"También esperamos que finalmente podamos hacer esa medición constante gravitacional, ", dijo." Podríamos poner un gran bloque de algún metal pesado como tungsteno cerca y ver cómo dobla la viga. Mejoraría nuestra comprensión del universo y no tomaría más tiempo que nuestras vidas ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.