Los espejos de neutrones mejorados pueden aumentar la eficiencia del análisis de materiales en fuentes de neutrones como la fuente europea de espalación. El espejo mejorado ha sido desarrollado por investigadores de la Universidad de Linköping recubriendo una placa de silicio con capas extremadamente finas de hierro y silicio mezcladas con carburo de boro. Su estudio ha sido publicado en la revista Science Advances. .
"En lugar de aumentar la potencia de la fuente de neutrones, que es extremadamente cara, es mejor centrarse en mejorar la óptica", afirma Fredrik Eriksson, investigador de la división de física de películas delgadas de la Universidad de Linköping.
Junto con los protones, los neutrones forman núcleos atómicos. Dependiendo del número de neutrones en un núcleo, las propiedades del elemento pueden diferir. Además, los neutrones también se pueden utilizar para analizar diferentes materiales a un nivel muy detallado. Este método se llama dispersión de neutrones.
Estas mediciones se llevan a cabo en laboratorios especiales de investigación de neutrones llamados fuentes de neutrones. Uno de esos laboratorios, la Fuente Europea de Espalación (ESS, por sus siglas en inglés), se está construyendo en las afueras de Lund. Se trata de una inversión de 2.000 millones de euros.
La ESS y otras fuentes de neutrones pueden compararse con microscopios avanzados que permiten a los científicos investigar diversos materiales y sus propiedades hasta el nivel atómico. Se utilizan en todo, desde el estudio de estructuras atómicas, dinámica de materiales y magnetismo, hasta las funciones de las proteínas.
Se necesitan enormes cantidades de energía para que los neutrones se liberen de los núcleos atómicos. Cuando los neutrones se liberan en la fuente de neutrones, deben ser capturados y dirigidos hacia su objetivo, es decir, el material a investigar. Se utilizan espejos especiales para dirigir y polarizar los neutrones. Éstas se conocen como óptica de neutrones.
Aunque la ESS tendrá la fuente de neutrones más poderosa del mundo, la cantidad de neutrones disponibles en los experimentos será limitada. Para aumentar la cantidad de neutrones que llegan a los instrumentos, se requiere una óptica polarizadora mejorada. Esto es algo que los investigadores de la Universidad de Linköping han logrado mejorando la óptica de neutrones en varios puntos importantes para aumentar la eficiencia.
"Nuestros espejos tienen una mejor reflectancia, lo que aumenta el número de neutrones que alcanzan su objetivo. El espejo también puede polarizar mucho mejor los neutrones en el mismo espín, lo cual es importante para los experimentos polarizados", afirma Anton Zubayer, estudiante de doctorado en el Departamento de Física, Química y Biología y autor principal de Science Advances artículo.
Y continúa:"Además, como esto ya no requiere un imán grande, el espejo se puede colocar más cerca de las muestras u otros equipos sensibles sin afectar las muestras mismas, lo que a su vez permite nuevos tipos de experimentos. Además, también hemos reducido la dispersión difusa, lo que significa que podemos reducir el ruido de fondo en las mediciones."
Los espejos están fabricados sobre un sustrato de silicio. Mediante un proceso llamado pulverización catódica con magnetrón, es posible recubrir el sustrato con elementos seleccionados. Este proceso permite recubrirlo con varias películas finas una encima de otra, es decir, una película multicapa.
En este caso se utilizan películas de hierro y silicio, mezcladas con carburo de boro enriquecido isotópicamente. Si el espesor de las capas es del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de los neutrones y la interfaz entre las capas es muy suave, los neutrones pueden salir del espejo en fase entre sí, lo que proporciona una alta reflectividad.
Fredrik Eriksson cree que cada neutrón es valioso y cada pequeña mejora en la eficiencia de la óptica de neutrones es valiosa para mejorar los experimentos.
"Al aumentar el número de neutrones y reflejar también energías de neutrones más altas, se abren oportunidades para experimentos pioneros y descubrimientos revolucionarios en disciplinas como la física, la química, la biología y la medicina", afirma Fredrik Eriksson.
El análisis de neutrones aprovecha la capacidad de los neutrones para comportarse como onda y como partícula. Estos neutrones, a su vez, pueden tener dos espines diferentes. Principalmente para los estudios magnéticos es importante poder utilizar neutrones polarizados, es decir, neutrones con un solo espín específico.
Más información: Anton Zubayer et al, Óptica de neutrones amorfa reflectante, polarizante y magnéticamente suave con B 4 C enriquecido con 11 B, Avances científicos (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0402
Proporcionado por la Universidad de Linköping
