La spectroscopie neutronique est un outil important pour l'étude des propriétés magnétiques et thermoélectriques des matériaux. Mais souvent la résolution, ou la capacité de l'instrument à voir les moindres détails, est trop grossier pour observer clairement les caractéristiques identifiant de nouveaux phénomènes dans les nouveaux matériaux avancés.

Pour résoudre ce problème, Fahima Islam, Jiao Lin, et Garrett Granroth, chercheurs de la Direction des sciences neutroniques (NScD) du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du Département de l'énergie (DOE), développé un nouveau logiciel de super-résolution, appelé SRINS, qui permet aux scientifiques de mieux comprendre les propriétés dynamiques des matériaux à l'aide de la spectroscopie neutronique. En combinant les données neutroniques de plusieurs détecteurs via un algorithme spécial, le logiciel utilise plusieurs mesures de la même propriété de matériau sous différents angles pour fournir aux chercheurs des résultats qui ont une résolution jusqu'à cinq fois plus fine que ceux produits par les techniques traditionnelles de réduction des données de spectroscopie.

"Avec ce logiciel, nous pouvons améliorer la résolution des données de diffusion des neutrons mesurées dans un spectromètre à géométrie directe d'un facteur cinq sans installer de nouveau matériel. Cette innovation peut conduire à davantage de développements exploitant la recherche sur le traitement de l'imagerie dans la science des données neutroniques pour la communauté mondiale de la diffusion des neutrons, " dit Lin.

La spectroscopie neutronique est une technique de diffusion des neutrons utilisée pour détecter et mesurer les signatures énergétiques résultant de la dynamique interne du matériau. Ces signatures donnent aux scientifiques un aperçu unique du comportement des matériaux, en particulier ceux avec des propriétés thermoélectriques et magnétiques. Les scientifiques peuvent ensuite utiliser ces informations pour générer de nouvelles, matériaux avancés pour des applications futures.

"L'étude de telles signatures énergétiques est une recherche fondamentale, mais c'est de la recherche fondamentale avec un but. Les données que nous collectons avec la spectroscopie neutronique pourraient apporter une contribution significative à des choses comme les ordinateurs quantiques et les systèmes de refroidissement de nouvelle génération, " dit Granroth.

Pour permettre aux chercheurs de jeter plus facilement les bases de futures réalisations scientifiques, Islam, Lin, et Granroth a travaillé aux côtés de collègues du groupe de mathématiques informatiques et appliquées (CAM) de l'ORNL pour créer un algorithme qui améliore considérablement la résolution des données produites par spectroscopie neutronique. Puis, en utilisant le langage de programmation Python, ils ont codifié leur algorithme dans un logiciel que les scientifiques du monde entier peuvent installer sur leurs instruments de spectroscopie neutronique.

"C'est juste un prototype, mais nous avons eu un succès remarquable jusqu'à présent. En comparaison, améliorer autant la résolution des données en installant de nouveaux équipements aurait nécessité une instrumentation beaucoup plus grande qu'il est impossible de construire. Avec ce logiciel, nous sommes en mesure de conserver les ressources tout en apportant des améliorations drastiques à nos capacités de spectroscopie neutronique. Et il a le potentiel d'améliorer la résolution de nombreuses mesures de diffusion des neutrons, pas seulement la spectroscopie, " dit Fahima.

"Oak Ridge est unique dans le fait que nous avons plusieurs installations de renommée mondiale juste à côté les unes des autres. Avoir l'opportunité de travailler avec mes collègues sur une science révolutionnaire comme ce logiciel était vraiment excitant, " dit Richard Archibald, un mathématicien appliqué avec CAM qui a aidé l'Islam, Lin, et Granroth développent le logiciel.

Islam, Lin, et Granroth espèrent que leur nouveau logiciel ne conduira pas seulement à de nouveaux développements dans la recherche sur les matériaux avancés à Oak Ridge, mais ont également un impact important sur le domaine de la diffusion des neutrons en général.

"Pour autant que nous sachions, il s'agit du premier travail publié montrant une application de la super résolution aux neutrons. Nous sommes à l'avant-garde d'une nouvelle tendance passionnante qui aidera d'autres installations de diffusion de neutrons à améliorer également la résolution de leurs données, " dit Lin.