Vous ne pouvez pas bien voir sans lentilles qui peuvent se concentrer, que ces lentilles soient dans votre œil ou dans le microscope à travers lequel vous regardez. Une nouvelle façon innovante de focaliser des faisceaux de neutrons pourrait permettre aux scientifiques de sonder l'intérieur d'objets opaques dans une gamme de tailles qu'ils ne connaissaient pas auparavant, leur permettant d'explorer les entrailles d'objets, des météorites aux matériaux manufacturés de pointe, sans les endommager.

La méthode, publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , pourrait convertir ce qui a été historiquement un outil de soutien pour la science neutronique en une technique de balayage à part entière qui pourrait révéler des détails allant de 1 nanomètre à 10 micromètres dans des objets plus gros. L'approche fournit cet outil, appelée interférométrie neutronique, avec ce qui sont essentiellement ses premières "objectifs" mobiles capables de zoomer et dézoomer sur des détails dans cette plage de taille - une plage qui a été difficile à sonder, même avec d'autres méthodes de balayage neutronique.

Plus précisément, ces "lentilles" sont des plaques de silicium faisant office de réseaux de diffraction, qui tirent parti des propriétés ondulatoires des neutrons. Les réseaux se séparent et redirigent un faisceau de neutrons de sorte que les ondes rebondissent sur les bords d'un objet puis entrent en collision les unes avec les autres, créer un motif d'interférence de moiré visible représentatif de l'objet qui est facile à interpréter pour les experts.

La méthode a été développée par une équipe de chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), les Instituts nationaux de la santé (NIH), et l'Université canadienne de Waterloo. Selon Michael Huber du NIST, l'approche pourrait faire de l'interférométrie neutronique l'un des meilleurs outils d'exploration dans le kit d'un scientifique des matériaux.

« Nous pouvons examiner la structure à de nombreux niveaux et à différentes échelles, " dit Huber, un physicien du laboratoire de mesures physiques du NIST qui mène des expériences au NIST Center for Neutron Research (NCNR). « Il pourrait compléter d'autres techniques de numérisation parce que sa résolution est très bonne. Il a une capacité de mise au point spectaculaire, et nous ne sommes pas limités à regarder de fines tranches de matériau comme avec d'autres méthodes - nous pouvons facilement regarder à l'intérieur d'un gros morceau de roche. »

L'interférométrie est une spécialité dans le monde de la science neutronique. Avant que les scientifiques puissent sonder l'intérieur d'un objet avec un faisceau de neutrons, ils doivent d'abord posséder quelques détails fondamentaux sur la façon dont les neutrons rebondiront sur la structure atomique de l'objet. L'un de ces détails est l'indice de réfraction d'une substance, un nombre indiquant de combien il pliera le faisceau par rapport à la direction dans laquelle il se déplace. (L'eau courbe la lumière d'une manière similaire, c'est pourquoi votre bras semble se courber lorsque vous le plongez dans une piscine.) L'interférométrie neutronique est le meilleur moyen d'obtenir cette mesure cruciale.

L'interférométrie neutronique a également un potentiel pour d'autres utilisations en physique fondamentale, comme mesurer avec précision la constante gravitationnelle. Il est suffisamment sensible pour détecter comment la force gravitationnelle d'un objet peut dévier les neutrons, tout comme la Terre attire une balle volante (et vice versa). Mais le talon d'Achille de la méthode neutronique a été sa lenteur. Pour focaliser les neutrons sur un échantillon de matériau, un interféromètre a eu besoin d'un cristal taillé à des dimensions précises dans un seul gros bloc de cher, silicium de qualité supérieure. (D'autres techniques neutroniques peuvent se contenter de cristaux de qualité bien inférieure.)

Malheureusement, les cristaux suffisamment bons pour l'interférométrie bloquent également la plupart des neutrons qui les frappent, ce qui signifie qu'il faut beaucoup de temps pour qu'un faisceau envoie suffisamment de neutrons devant un échantillon pour obtenir un indice de réfraction précis. D'autres tâches prendraient beaucoup plus de temps.

"Les sources de neutrons sont déjà très faibles, " a déclaré Dmitry Pushin de Waterloo. " Il faudrait cent ans pour obtenir une bonne réponse à des questions fondamentales telles que la valeur de la constante gravitationnelle. "

La nouvelle approche contourne ces problèmes en utilisant un trio de minces réseaux de silicium pour focaliser les neutrons au lieu d'un seul cristal coûteux. Sous un microscope, la surface plane de chaque grille ressemble à un peigne avec une étroite, dents rapprochées. Non seulement les réseaux permettent à l'ensemble du faisceau de neutrons de les traverser, plutôt qu'au filet de neutrons qui traversent le cristal, mais ils ont l'avantage essentiel d'être mobiles.

"Vous vous concentrez en déplaçant la grille d'une fraction de millimètre, " Huber a déclaré. "C'est léger mais pas difficile."

Démontré au NIST Center for Neutron Research, l'approche de l'équipe s'appuie sur une découverte initialement faite au NIH, où les scientifiques expérimentaient l'application des réseaux à des faisceaux de rayons X et ont remarqué un motif moiré se formant sur leur imageur visuel.

"L'idée a d'abord été développée par notre laboratoire de capturer l'image de matériaux où les rayons X voyagent à des vitesses légèrement différentes de celles de l'air, comme le corps humain lui-même, " a déclaré Han Wen, chercheur principal au NIH National Heart, Poumon, et l'Institut du sang. "Au cœur de cette idée se trouvent les réseaux à rayons X, qui ont été fabriqués avec les outils hautement spécialisés de l'installation NIST Nanofab."

Fortuitement, les scientifiques du NIST et de Waterloo ont rencontré les membres de l'équipe du NIH lors d'une conférence et ont noué une collaboration, soupçonnant que les réseaux fonctionneraient aussi bien pour les neutrons que pour les rayons X. L'équipe du NIH a ramené les réseaux au NIST, où ils ont été assemblés dans l'interféromètre à neutrons.

Après des résultats tout aussi bons à la NCNR, Huber a déclaré qu'une seule chose empêche leur interféromètre de devenir un excellent outil pour l'industrie :ils ont besoin d'un ensemble d'ouvertures de différentes largeurs par lesquelles le faisceau de neutrons passera avant d'atteindre l'interféromètre. À l'heure actuelle, ils ne disposent que d'une seule ouverture, et cela limite leur vision.

"Nous pouvons voir la gamme complète de 1 nanomètres à 10 micromètres maintenant, mais l'image est un peu floue car nous n'avons pas assez de données, " a-t-il dit. " Chaque ouverture différente nous donne un autre point de données, et avec suffisamment de points, nous pouvons commencer à faire une analyse quantitative de la microstructure d'un matériau. Nous espérons que nous pourrons en fabriquer un ensemble d'une centaine, ce qui nous permettrait d'obtenir des informations quantitatives détaillées.

L'équipe a déjà scanné l'intérieur d'un bloc de granit qui contient un mélange de quatre minéraux différents, et l'analyse montre les détails de l'emplacement de chaque morceau de minéral. Huber a déclaré que la méthode serait bonne pour les analyses non invasives d'objets poreux comme les météorites ou les matériaux manufacturés, tels que des gels ou des mousses, qui sont à la base de nombreux produits de consommation.

"Nous espérons également pouvoir enfin faire cette mesure de constante gravitationnelle, " a-t-il dit. " Nous pourrions mettre un gros bloc de métal lourd comme le tungstène à proximité et voir comment il plie le faisceau. Cela améliorerait notre compréhension de l'univers et ne prendrait pas plus de temps que notre vie."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.