V Школа по физике поляризованных нейтронов «ФПН–2016»
15-16 декабря 2016 Гатчина, Орлова роща, НИЦ КИ ПИЯФ, большой конференц-зал 7 корпусаФГБУ ПИЯФ"Новогодний карнавал"
12 будущих достижений Школы по физике
поляризованных нейтронов
Январь. «Старая, добрая спинтроника»: Развитие теории рассеяния и практики манипулирования поляризованных электронов в магнитных материалах.
Теория рассеяния и практика манипулирования пучками поляризованных нейтронов, развитая во второй половине XX века в Ленинградском институте ядерной физики (г. Гатчина), является неоспоримым достижением института. Эта теория и практика может стать основой для развития теории рассеяния и манипулирования электронов в магнитных материалах. Так, прямая аналогия с нейтронами, позволяет утверждать, что при прохождении киральных гелимагнитных материалов, изначально неполяризованный электронный поток будет пространственно разделен на два поляризованных с положительной и отрицательной проекцией спина на ось, направленную вдоль вектора распространения магнитной спирали. Основываясь на принципе работы «гармошки» Драбкина, можно утверждать, что прохождение поляризованного электрона в магнитном поле через периодическую магнитную структуру приведет к перевороту спина. Это ли не базовые элементы спинтроники? Как следствие, применение киральных магнитных материалов в современных логических устройствах позволит мгновенно увеличить тактовую частоту современных процессоров в несколько раз!
Февраль. «Новая добрая магноника»: Куда спешит и о какой берег бьется спиновая волна в экзотических магнитных материалах без центра инверсии? Методом малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов показано, что направление волны определяется магнитным полем и взаимодействием Дзялошинского-Мория!
Этот способ изучения основных динамических констант магнитных материалов был предложен и реализован для аморфных ферромагнетиков в середине 80-х годов XX века в Ленинградском институте ядерной физики (г. Гатчина). Свое развитие эта технология получила в 2015 году при исследовании динамических свойств MnSi - геликоидального магнетика без центра инверсии, а значит - с взаимодействием Дзялошинского-Мория. Была показана необратимость спиновых волн в таких магнетиках. На этом свойстве киральности магнонов могут быть разработаны новые принципы хранения информации - «Новая, добрая магноника». Хотя метод малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов и является интегральным, он позволяет прямо определить соотношение массы магнона в магнитном материале к массе нейтрона и имеет ряд неоспоримых преимуществ перед другими методиками. Например, метод не чувствителен к ориентации кристалла в пространстве, что позволяет проводить исследования на поликристаллах и порошковых образцах малого объема в экстремальных условиях, либо на наноструктурированных ферромагнитных системах.
Март. Проблема квантовых фазовых переходов в магнетиках решена с помощью рассеяния поляризованных нейтронов с трехмерным анализом поляризации. Измерен размер и время жизни квантовых критических флуктуаций параметра порядка магнитной системы.
Магнитные фазовые переходы порядок-беспорядок сопровождаются появлением магнитных флуктуаций параметра порядка, которые определяют состояние системы. Сами магнитные флуктуации характеризуются корреляционной длиной (1-1000 нм) и временем жизни (0.1 – 1000 нс). Малоугловое рассеяние поляризованных нейтронов на магнитных флуктуациях описывается фурье-образом ее парной корреляционной функции. Измеряя его, мы узнаем корреляционную длину и оцениваем степень киральности рассеивающего объекта. Рассеяние неизбежно происходит с потерей либо передачей энергии, что приводит к появлению компоненты поляризации нейтронов, направленной вдоль волнового вектора нейтрона. Трехмерный анализ поляризации позволит определить неупругую составляющую рассеяния, обратно пропорциональную времени жизни флуктуации. Это методика измерений даст возможность изучить закономерности квантовых фазовых переходов в магнитных системах.
Апрель. Магнитная спираль, созданная фрустрацией обменных взаимодействий Рудермана-Киттеля-Касуйи-Иошиды, закручена только в одну сторону, если нарушена зеркальная симметрия кристаллической структуры.
РККИ взаимодействие приводит к образованию фрустрации в магнитном порядке и стабилизирует спиновую спираль с небольшим периодом в 2-3 нм. РККИ спираль акиральна, то есть магнитные домены как с правой закруткой, так и с левой, образуются в равных количествах. А вот геликоидальные магнетики, основанные на взаимодействии Дзялошинского-Мории (ДМ) оказываются 100 % киральными. Мы полагаем, что наличие в системе с доминирующим РККИ взаимодействием слабого взаимодействия ДМ неизбежно приведет к нарушению киральной симметрии магнитной структуры. Дифракции поляризованных нейтронов оказывается идеальным инструментов в таких исследованиях. Подтверждение этой гипотезы и синтез соединений нового типа является важным шагом на пути создания как спинтронных, так и магнонных устройств.
Май. Изобретение позиционно-чувствительного анализатора поляризации пучка нейтронов на киральных магнетиках.
В ныне используемых анализаторах поляризации нейтронов трудно установить в каком именно месте пространства измеряется поляризация, поскольку размеры самого поляризатора составляют десятки сантиметров. В противоположность этому, небольшой кристалл с монокиральной гелимагнитной структурой размером в доли кубического миллиметра способен работать как 100% анализатор нейтронной поляризации. С таким анализатором можно сканировать пучки поляризованных нейтронов как вдоль пучка (а это метры), так и перпендикулярно пучку (несколько сантиметров).
Июнь. Изобретение широкоугольного анализатора поляризации рассеянных нейтронов по принципу «куска железки» на основе метаматериалов.
Самым первым поляризатором и анализатором нейтронного пучка был поликристалл железа толщиной в 5 сантиметров, намагниченный магнитным полем величиной в 1 Тесла. Поляризующая способность при таком подходе достигает 70 %, а трансмиссия около 30 %. Эти параметры старого анализатора вполне сравнимы с эффективностью новых анализаторов, работа которых основана поглощении нейтронов с одной компонентой спина поляризованным же газом гелия-3, находящемся под давлением в колбах, через которые пролетают нейтроны. Самым большим преимуществом этого анализатора является тот факт, что его можно использовать для нейтронов, рассеянных в самом широком диапазоне углов. Можно ли вернуться к старой идее и используя старый принцип «куска железки» сделать анализатор на основе современных магнитных метаматериалов? Нужно попробовать!
Июль. Освоен метод спин-эхо малоуглового рассеяния нейтронов для микробиологии.
Принцип спин-эхо малоуглового рассеяния нейтронов (СЭМУРН) основан на кодировании акта и угла рассеяния нейтронов в величину деполяризации нейтронного пучка. Этот метод позволяет определить пространственную корреляционную функцию исследуемого объекта в диапазоне масштабов от десятков нанометров до десятков микрометров. Очевидна незаменимость метода СЭМУРН для исследований в области микробиологии, поскольку он является одним из немногих неразрушающих методов получения структурной информации на масштабах порядка микрометра и выше. Пионерские эксперименты на ядрах биологических клеток подтверждают перспективу использования метода СЭМУРН в этой области. Кроме того, выбор оптимальной длины волны нейтрона при измерениях конкретного объекта позволяет в 10-100 раз повысить чувствительность метода, а также расширяет пространственный диапазон вплоть до сотен микрометров. Возможности работы с пучками холодных поляризованных нейтронов адаптируют метод СЭМУРН и открывают микробиологию, как огромное поле для исследований.
Август. Методы поляризованной радиографии оказались решающим фактором в развитии космической навигации на магнитных двигателях.
В октябре 2016 года был запатентован магнитный тяговый двигатель, который за счет своей конфигурации способен создавать тягу в несколько миллиньютон в условиях высокого вакуума и невесомости. При этом от двигателя не было зарегистрировано никакого излучения. Несмотря на удивительный результат, исследование основных физических принципов и улучшение характеристик двигателя возможно с помощью картографирования магнитных силовых линий как внутри, так и вокруг всей его конструкции методами поляризованной радиографии.
Сентябрь. Хореография поляризованных нейтронов. Кто бы мог подумать, что нейтронами можно играть как шарами в бильярде!
Кто бы мог подумать, что нейтронами можно играть как шарами в бильярде! Известно, что ультрахолодные нейтроны, будучи запущенными в «бутылку» долго - целых 15 минут - хранятся там, прежде чем сыграть в β-распад. Однако, при жизни в бутылке нейтрон движется по определенной траектории, совершая 3-4 соударения. Это приводит к такому распределению плотности нейтронов в бутылке, при котором центр бутылки – пуст, в то время как нейтроны толпятся возле стенок. Что будет, если поляризованные нейтроны окажутся в бутылке, и они будут наматывать круги вдоль стенок бутылки, какое магнитное поле они смогут создать? Конечно это зависит от плотности нейтронов. А все-таки?
Октябрь. Построен прототип компактного источника поляризованных нейтронов.
Для развития всей области нейтронных исследований вещества критически важно наличие сети источников излучения средней и малой мощности. В каждом университете и научном институте должен быть создан компактный нейтронный источник для проведения экспериментов и лабораторных работ в области физики конденсированного состояния. Радиационно чистый источник, обладающий низкой мощностью потребления, незаменим в исследованиях вещества на атомарном и молекулярном масштабах и удобен для пользователя. А главным его достоинством является возможность оптимизации источника, исходя из нужд конкретного нейтронного инструмента: компактный источник может иметь несколько мишеней, каждая из которых испускает нейтронный пучок с индивидуальными характеристиками, требуемыми для конкретного типа инструмента. Мишень, механизм работы которой рождает сразу поляризованное излучение, стала бы идеальным источником поляризованных нейтронов и смогла бы разместить на себе сразу несколько высококлассных нейтронных приборов.
Ноябрь. Установки поляризованных нейтронов на компактном источнике нейтронов.
Компактный источник нейтронов является идеальным местом для разработки и проверки новых идей, касающихся методики нейтронного эксперимента. Рассмотрим идеи двух приборов, использующих поляризованные нейтроны.
Первым из них является специализированный нейтронный дифрактометр для экспериментов с большим магнитным полем. Актуальность таких исследований подтверждается строительством и проектированием подобных приборов на ведущих источниках нейтронов, в том числе в Оак-Риджской Национальной Лаборатории. Особенностью предлагаемого прибора является использование относительно медленного импульского магнита, позволяющего достигать гораздо больших значений поля.
Вторым предлагаемым инструментом является малоугловая машина с анализом поляризации на основе магнитной линзы. Такие линзы уже используются в качестве поляризующих устройств. В настоящее время анализ обычно осуществляется с помощью гелиевых ячеек, которые сложны в обслуживании и требуют много внимания. Будет показано, как магнитная линза может заменить их и обеспечить простой в эксплуатации метод анализа поляризации на малоугловых дифрактометрах.
Декабрь. Загадка криптоферромагнитного состояния решена с помощью трехмерного анализа поляризации нейтронов при рассеянии от многослойной системы сверхпроводник-ферромагнетик в скользящей геометрии.
Использование всего арсенала рефлектометрии поляризованных нейтронов (В.Д. Жакетов и др. ЖЭТФ, 2016,т.150,в.11,с.1) до сих пор не позволила однозначно наблюдать криптоферромагнитное состояние в системе сверхпроводник/ферромагнетик (P.W. Anderson, H.