Премии ОИЯИ

Зондовая нейтронная микроскопия: взгляд в глубь микромира

Цикл работ "Каналирование нейтронов в слоистых структурах и его использование для создания метода зондовой нейтронной микроскопии" удостоен второй премии ОИЯИ за 2013 год в области экспериментальной физики. Авторы - В.К.Игнатович, С.В.Кожевников, Ю.В.Никитенко (ЛНФ ОИЯИ), Т.Келлер, Я.Майор (Штутгарт, Германия), Ф.Отт (Сакле, Франция), Ф.Раду (Берлин, Германия), А.Рюм (Штутгарт, Германия), А.Тьявиль (Орсэ, Франция), Ю.Н.Хайдуков (Штутгарт, Германия).

Зондом мы называем узкий пучок проникающего излучения (рентгеновского или нейтронного), с помощью которого проводится сканирование локальных микроструктур с высоким пространственным разрешением. Чем меньше ширина зонда, тем меньше размер микроструктур, доступный для исследования. Зонд в виде пучка поляризованных нейтронов субмикронной ширины может стать уникальным инструментом для изучения магнитных микроструктур в объеме вещества, поскольку другие методы либо позволяют видеть только поверхность, либо дают информацию, усредненную по большому объему. Развитию зондовой нейтронной микроскопии и была посвящена наша работа.

Ширину нейтронного пучка в эксперименте обычно не удается уменьшить до нескольких десятых долей миллиметра. Для формирования более узких пучков нейтронов на протяжении многих лет использовались различные фокусирующие устройства. Но особого прогресса в этом направлении достичь не удавалось из-за особых свойств нейтронов. В отличие от синхротронного рентгеновского излучения, нейтронные пучки изначально имеют гораздо большую расходимость и меньшую интенсивность. Нейтроны слабо взаимодействуют с веществом, поэтому нейтронные пучки очень трудно фокусировать. Методом фокусировки удалось сузить нейтронный пучок только до 50 микрон.

В середине 1990-х годов возникла идея создания микропучков нейтронов с помощью слоистых тонкопленочных структур, в которых нейтрон движется (каналирует) вдоль слоев аналогично тому, как распространяется волна в волноводе. На выходе такого волновода образуется расходящийся микропучок нейтронов в виде узкой вытянутой полоски, ее ширина равна толщине волноводного слоя (канала), которая может составлять десятые доли микрона. Однако чтобы получить такие узкие пучки, необходимо научиться вводить нейтроны в узкие каналы. Раньше для этого использовали преломляющие призмы. Этим способом И.Фенгу с соавторами в 1994 году удалось наблюдать явление каналирования нейтронной волны, а в 1996 году С.Погосяну с соавторами удалось сформировать даже поляризованный микропучок нейтронов. Но волноводы такого типа не получили дальнейшего развития.

В 1997 году в группе Ю.В.Никитенко (ЛНФ ОИЯИ) на пучке №8 реактора ИБР-2 начались исследования нейтронных стоячих волн, которые образуются внутри трехслойных пленочных структур. В этих структурах при определенных условиях в средней пленке происходит резонансное увеличение амплитуды нейтронной волны. Если поместить внутрь резонансной пленки тонкий слой исследуемого вещества, то вероятность процесса взаимодействия нейтронов с веществом слоя многократно увеличивается. Проявление резонансов в нейтронных стоячих волнах регистрировалось как через минимумы интенсивности отраженных нейтронов, так и через максимумы интенсивности вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия нейтронов с веществом слоя (альфа-частицы, гамма-кванты, поляризованные нейтроны с переворотом спина).

Одним из способов наблюдения резонансов в нейтронных стоячих волнах является и каналирование. В 2000 году Ю.В.Никитенко с сотрудниками провел первые эксперименты по каналированию нейтронов в волноводах резонаторного типа. Именно такого типа волноводы и получили дальнейшее развитие. В 2000-2001 годах сотрудником ЛНФ В.К.Игнатовичем в соавторстве с румынским физиком Ф.Раду были разработаны теории резонансов и каналирования в плоских волноводах. Получены выражения для усиления и параметра затухания нейтронной волны при каналировании, который называется длиной каналирования. В 2002 году Ф.Пфайффер с соавторами экспериментально продемонстрировали возможность создания неполяризованного микропучка нейтронов и даже исследовали свойства полученного пучка. В 2004-2008 годах сотрудником ЛНФ С.В.Кожевниковым совместно с французским физиком Ф.Оттом была проведена серия экспериментов по исследованию отражения нейтронов от тонкопленочных резонаторных систем. Было показано, что при резонансных условиях зеркальное отражение нейтронов уменьшается, а незеркальное увеличивается. Первое объясняется тем, что нейтроны уходят в каналирование по резонансной пленке, а второе - усилением рассеяния каналируемых нейтронов на шероховатостях резонансной пленки.

Большого прогресса в развитии нейтронных волноводов удалось достичь в 2009-2013 годах большой международной группе (В.К.Игнатович, С.В.Кожевников, Т.Келлер, Я.Майор, Ф.Отт, Ф.Раду, А.Рюм, Ю.Н.Хайдуков) из России, Франции, Германии, Венгрии и Румынии. Был получен ряд интересных экспериментальных результатов: сформирован поляризованный микропучок нейтронов, экспериментально определена длина каналирования, исследовано влияние параметров волноводов на эту длину. Экспериментальные результаты совпали с предсказаниями теории. Были также продемонстрированы различные способы получения поляризованного микропучка с помощью магнитных и немагнитных волноводов. Наиболее практичной оказалась комбинация немагнитного волновода и рефлектометра поляризованных нейтронов, которая и была использована в дальнейшем для исследования магнитной микроструктуры.

В 2011 году группой А.Тьявиля в Орсэ (Франция) были теоретически исследованы аморфные магнитные проволочки диаметром порядка 100 микрон, в которых было предсказано образование магнитной микроструктуры по модели "ядро-оболочка". В компактном ядре диаметром порядка 10 микрон образуется область с намагниченностью, направленной вдоль оси проволочки. А в широкой оболочке - область с намагниченностью, направленной по кругу. Такие проволочки обладают интересными магнитными свойствами, зависящими от внешнего физического воздействия и условий изготовления, и могут быть использованы в практических приложениях. Экспериментального метода исследования таких структур до сих пор не существовало. Теперь он у нас есть.

В 2012 году С.В.Кожевников и Ф.Отт провели первый эксперимент. Поляризованный микропучок нейтронов был получен на рефлектометре поляризованных нейтронов с использованием немагнитного волновода. Затем микропучок шириной 2 микрона пропускался через магнитную проволочку диаметром 190 микрон. Внутри проволочки спин нейтрона испытывал Ларморовскую прецессию, которая влияла на интенсивность прошедших нейтронов. Пространственное сканирование с полученным микропучком осуществлялось перемещением проволочки микрометрическим устройством поперек пучка с шагом 25 микрон. С помощью поглощающих нейтроны пластин и кристаллов удалось отделить микропучок от паразитного рассеяния и значительно снизить фон. Это позволило при сравнительно малой интенсивности микропучка (примерно два нейтрона в секунду) накопить статистически обеспеченные экспериментальные данные для двух спиновых состояний нейтронов за вполне приемлемое время измерений порядка двадцати часов. Таким образом впервые экспериментально продемонстрировано, что поляризованный микропучок нейтронов, сформированный с помощью плоского волновода, позволяет заглянуть внутрь вещества и увидеть микроструктуру, которая раньше была недоступна наблюдениям.

В данном цикле работ теория, фундаментальные исследования и методика взаимно дополняют друг друга и приводят к новым интересным результатам. При этом авторам приходилось преодолевать трудности и проявлять изобретательность. Мы надеемся, что зондовая нейтронная микроскопия будет развиваться на реакторе ИБР-2 и на других нейтронных источниках. Это даст уникальную возможность исследования множества микроструктур - таких как, например, аморфные магнитные проволочки, магнитные домены, литографические решетки, вихри магнитного поля в сверхпроводниках и другие.

Сергей КОЖЕВНИКОВ,
старший научный сотрудник ЛНФ