Comprender el magnetismo en su nivel más fundamental es vital para desarrollar dispositivos electrónicos más potentes, pero los materiales con estructuras magnéticas más complejas requieren herramientas más complejas para estudiarlos, herramientas poderosas simplemente denominadas "neutrones".

Dos de las fuentes más poderosas del mundo para la dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están recibiendo actualizaciones. La adición de una capacidad avanzada llamada polarimetría de neutrones esféricos permitirá a los investigadores que utilizan el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) y la fuente de neutrones de espalación (SNS) de ORNL para realizar mediciones de materiales con estructuras magnéticas exóticas y estados cuánticos que antes eran inaccesibles en los Estados Unidos.

"Los neutrones son ideales para estudiar fenómenos magnéticos, ", dijo el investigador de posgrados de ORNL, Nicolás Silva." Son eléctricamente neutrales, o no tener cargo, y exhibir momentos magnéticos, lo que los convierte en ellos mismos como pequeños imanes ".

Cuando los neutrones atraviesan un material y se dispersan por los campos magnéticos generados por los átomos de un material, pintan un retrato atómico o incluso un modelo tridimensional de la disposición atómica del material y revelan cómo se comportan los átomos dentro del sistema.

Los neutrones tienen un "giro, "u orientación, como los polos norte y sur de los imanes de nevera. En un haz de neutrones típico, los neutrones dentro del haz tienen espines que están dispuestos al azar. Medición de determinados sistemas magnéticos altamente dinámicos o complejos. sin embargo, requiere más uniformidad, que es proporcionado por un haz de neutrones polarizado en el que cada espín de neutrón está alineado en paralelo y con la misma orientación.

"Los filtros de polarización de neutrones nos permiten ver a través de las cosas que no queremos ver que podrían estar enturbiando la señal que nos interesa. ", dijo el científico de instrumentos Barry Winn." Similar a cómo las lentes polarizadas permiten a los pescadores ver peces nadando debajo que de otra manera serían bloqueados por el reflejo del agua ".

Los neutrones cambiarán sus giros de manera predecible cuando se dispersen. El uso de un haz polarizado permite a los investigadores comprender mejor lo que está sucediendo en un material al establecer el giro del neutrón antes y medir el giro del neutrón después de que el haz golpea la muestra. Por ejemplo, El giro de un neutrón podría invertirse en la dirección opuesta durante la dispersión.

"En los EE.UU, la mayoría de las mediciones que hemos estado haciendo con neutrones polarizados hasta ahora se han basado en si el neutrón, después de haber sido dispersado por el material o su campo magnético, se gira 180 grados o conserva su orientación. A eso lo llamamos spin-flip y non-spin-flip, "dijo Winn.

"Pero hay un problema con eso. Si obtenemos alguna dispersión de la muestra que no sea un giro sin giro o giro con giro, o algo diferente a 0 y 180 grados, entonces la estrategia estalla en nuestra cara".

La estrategia funciona bien para materiales magnéticos convencionales como ferromagnetos y antiferromagnetos, en el que todos los átomos magnéticos apuntan en la misma dirección o en direcciones alternas, pero permanecen paralelos a sus vecinos. Sin embargo, la estrategia no funciona para estructuras magnéticas más complejas.

Por ejemplo, la técnica es limitada cuando se trata de investigar partículas exóticas como skyrmions, cuasi-partículas que exhiben movimiento quiral, o vórtices enredados, o remolinos de líneas de campo asimétricas. Estas partículas proporcionan un potencial emocionante para los materiales utilizados en aplicaciones avanzadas de almacenamiento de datos y computación cuántica.

Para abordar el problema, El científico de polarización Peter Jiang dirige un equipo ORNL que incluye a Winn y Silva en un proyecto de investigación y desarrollo dirigido por un laboratorio para desarrollar polarimetría de neutrones esféricos para múltiples líneas de luz ORNL. La tecnología permitirá la medición de neutrones de materiales que no se ajustan a los dominios tradicionales de spin-flip y non-spin-flip. o, en otras palabras, permitirá a los investigadores ver el comportamiento magnético dinámico que existe en el medio.

"Las técnicas tradicionales no son lo suficientemente sofisticadas para estudiar ciertos sistemas magnéticos complejos, "dijo Jiang." Ahora, ya no estamos restringidos a los spin-flips. Esto nos permite mirar arreglos magnéticos que no pudimos descifrar antes ".

La polarimetría de neutrones esféricos se ha utilizado en Europa, y ahora Jiang y el equipo de ORNL están adaptando la tecnología a los instrumentos en SNS y HFIR. Están construyendo la tecnología basándose en la investigación en curso realizada por Tianhao Wang, primero como estudiante de posgrado en la Universidad de Indiana, Bloomington, y posteriormente como investigador postdoctoral en el equipo ORNL.

La tecnología básica incorpora dispositivos ópticos adicionales instalados tanto en el rayo entrante que golpea la muestra (el rayo incidente) como en el rayo saliente que se dispersa. que permite mediciones de neutrones dispersos orientados en cualquier dirección. La tecnología ORNL se basa en diseños de prototipos anteriores y ofrecerá varias innovaciones.

Con los dispositivos de polarimetría de neutrones esféricos ORNL, la trayectoria del haz disperso no necesita estar en línea con el haz incidente, sino que puede inclinarse alrededor de la muestra.

"Eso significa que si el neutrón no experimenta un giro completo, podemos ajustar el campo en el otro extremo, o mover el aparato para detectar la dispersión de neutrones en diferentes direcciones, "explicó Silva.

El equipo también desarrolló dos sistemas de enfriamiento independientes para permitir a los investigadores estudiar cómo cambian las estructuras magnéticas en función de la temperatura. El primer sistema enfría dos componentes de polarización de neutrones esféricos ubicados a cada lado de la muestra para hacerlos superconductores. El segundo sistema introduce un criostato adicional con capacidad de llenado automático de helio líquido que permite a los investigadores explorar más fácilmente los materiales en un rango de temperaturas sin interferir con las temperaturas requeridas para la superconductividad en el primer sistema.

Finalmente, los dispositivos de polarimetría de neutrones esféricos están hechos con materiales más eficientes. Mientras que los diseños anteriores utilizan niobio para las láminas superconductoras, el nuevo diseño utiliza un óxido de itrio-bario-cobre (YBCO) que se superconduce a 93 Kelvin (-292 ° F), una temperatura significativamente más alta que su predecesor de niobio. Adicionalmente, las películas superconductoras están acopladas con yugos de Mu-metal que se combinan para proteger todos los demás campos magnéticos y establecer un campo cero alrededor de la muestra para estudiar los giros de los materiales en su estado natural.

"Alcanzar la superconductividad requiere una cantidad significativa de potencia de enfriamiento. El niobio debe enfriarse por debajo de 10 K para mantener la superconductividad, por lo que los diseños europeos requerían extensos sistemas de enfriamiento que tenían que ser rellenados manualmente con helio líquido a menudo, "dijo Jiang.

"Con las películas YBCO de alta temperatura, Podemos usar un refrigerador de ciclo cerrado de una sola etapa para enfriar la película muy por debajo de su temperatura crítica, por lo que no nos preocupa ninguna pérdida de superconductividad. Y, con el sistema de llenado automático de helio líquido añadido para el criostato y el sistema de refrigeración de ciclo cerrado, el dispositivo será más fácil de usar y más eficiente ".

Y lo que es más, el sistema es compacto en comparación con los sistemas anteriores:los superconductores de alta temperatura que niegan la necesidad de un gran sistema de enfriamiento lo hacen móvil.

"Si algo, hay un testimonio de lo portátil que es el dispositivo. Lo hemos trasladado al reactor nuclear de la Universidad de Missouri, luego de vuelta a HFIR, y de HFIR a SNS, "dijo Silva." Lo he armado y desarmado varias veces, y cada vez he encontrado formas más fáciles de conectar las piezas, solo pequeños cambios en la calidad de vida que estamos haciendo para mejorar su utilidad ".

El sistema ha sido probado con éxito, en el que las medidas de polarización total se realizaron utilizando varios materiales conocidos, incluido el silicio, óxido de manganeso, y bismuto-óxido de hierro.

El equipo planea implementar el sistema en el espectrómetro de triple eje PTAX de HFIR y el difractómetro GP-SANS, que se optimizará para el haz de neutrones en estado estable del reactor, con todas las capacidades previstas para finales de 2020.

Después, El equipo desarrollará un dispositivo de polarimetría de neutrones esféricos similar exclusivamente para el instrumento HYSPEC en SNS, lo que lo convertirá en el único instrumento en el mundo que combina una matriz de súper espejos y capacidad de gran angular. El dispositivo también se beneficiará de las capacidades únicas habilitadas por el acelerador de fuente pulsada SNS.

"Mientras tanto, "dijo Winn, "Vamos a tener un caballo de batalla en PTAX que nos dejará boquiabiertos".