Los científicos que superan los límites de los instrumentos de dispersión de neutrones más avanzados del mundo saben que es inevitable una pequeña cantidad de distorsión en sus mediciones. Para algunos experimentos, esta distorsión se explica fácilmente, pero en otros tipos de investigación puede causar resultados inexactos.

¿Por qué importa una pequeña cantidad de distorsión? Es similar a cuando un detective levanta una huella dactilar de un vaso de agua. La curvatura del vidrio distorsiona ligeramente la huella dactilar, lo que dificulta la comparación de la huella con la huella dactilar de un sospechoso en el archivo. En tal caso, sería útil si hubiera una forma de eliminar la distorsión de la huella dactilar que se encuentra en el cristal.

Algo así ocurrió cuando los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) utilizaron el espectrómetro de dispersión de neutrones SEQUOIA de clase mundial en la fuente de neutrones por espalación (SNS) de ORNL. Los investigadores estaban midiendo las dispersiones de ondas de espín de un material cristalino magnético. Descubrieron que los datos (la huella dactilar) obtenidos de SEQUOIA (el cristal) estaban ligeramente distorsionados por los límites de resolución del instrumento, a pesar de su diseño de última generación.

Para resolver el problema, los investigadores desarrollaron una nueva técnica computacional que mejoró la resolución efectiva de SEQUOIA en un 500 % para hacer coincidir los datos con los valores de dispersión de onda de espín conocidos. Además, esta solución prácticamente no tiene costo, ya que no requiere hardware adicional y utiliza software de código abierto.

Los resultados de sus esfuerzos se publicaron en la revista AIP Review of Scientific Instruments .

"Predijimos que si podíamos medir la cantidad de distorsión inherente a la recopilación de datos de SEQUOIA, podríamos aplicar una corrección que aumentaría la resolución efectiva del instrumento", dijo Jiao Lin, científico principal de desarrollo de instrumentos para CUPI ^{2 instrumento D en la segunda estación de destino (STS). "Es similar a cómo los oculistas evalúan su vista y luego recetan anteojos correctivos o lentes de contacto para compensar la distorsión de su visión".}

A diferencia de los oftalmólogos que solo realizan pruebas en tres dimensiones, los científicos necesitaban medir la distorsión de SEQUOIA en cuatro dimensiones. Esto hizo que la tarea fuera mucho más desafiante. Afortunadamente, los investigadores tuvieron acceso al software de código abierto MCViNE de ORNL, que puede usarse para emular experimentos de neutrones para ondas de espín medidas por instrumentos de neutrones como SEQUOIA. El equipo creía que podía aplicar el software de una manera diferente para obtener mediciones 4D de la distorsión.

"Para simplificar las mediciones 4D, usamos el software MCViNE para realizar mediciones 2D a lo largo de dos ejes a la vez. Hicimos eso tanto para la imagen experimental distorsionada como para el modelo idealizado de alta resolución que desarrollamos", dijo Matt Stone, científico principal del instrumento SEQUOIA. en el SNS. "Luego repetimos las mediciones 2D a lo largo de muchos otros ejes e interpolamos los resultados para aproximarnos a un modelo 4D. De esta manera pudimos medir las disparidades entre la imagen real y nuestro modelo".

El equipo adaptó una tecnología de visión estéreo computacional que es comparable a cómo las gafas 3D crean la ilusión de profundidad en las películas. Podían visualizar la distorsión a lo largo de los diversos ejes del modelo, un segmento a la vez, y compensar las distorsiones en sus medidas originales. La técnica de súper resolución logró hasta 5 veces mejor resolución que los métodos anteriores.

"Una vez que identificamos la cantidad y la posición de la distorsión en los datos en comparación con el modelo idealizado, pudimos aplicar correcciones a los datos", dijo Gabriele Sala, científico principal de instrumentos de la línea de luz STS CHESS. "Luego usamos el conjunto de datos corregido para generar una dispersión de onda de espín mucho más precisa que coincidía con uno de los posibles modelos conocidos".

Los investigadores confían en que el mismo enfoque de súper resolución se puede aplicar a otros instrumentos y experimentos de neutrones. "Esta técnica se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones experimentales", dijo Lin.

Para una resolución y precisión aún mayores, el equipo cree que será posible actualizar la técnica de resolución 2D para resolver directamente las mediciones 4D. Esto también podría eliminar la limitación de dispersión única. + Explora más

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