Comprendre le magnétisme à son niveau le plus fondamental est essentiel pour développer une électronique plus puissante, mais les matériaux avec des structures magnétiques plus complexes nécessitent des outils plus complexes pour les étudier, des outils puissants simplement appelés « neutrons ».

Deux des sources les plus puissantes au monde pour la diffusion des neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département américain de l'Énergie (DOE) sont en cours de mise à niveau. L'ajout d'une capacité avancée appelée polarimétrie à neutrons sphériques permettra aux chercheurs utilisant le réacteur à isotope à haut flux (HFIR) et la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL de mesurer des matériaux présentant des structures magnétiques exotiques et des états quantiques qui étaient auparavant inaccessibles aux États-Unis.

« Les neutrons sont idéaux pour étudier les phénomènes magnétiques, " a déclaré Nicolas Silva, chercheur post-master de l'ORNL. " Ils sont électriquement neutres, ou sans frais, et présentent des moments magnétiques, ce qui les fait en quelque sorte comme de minuscules aimants eux-mêmes."

Lorsque les neutrons traversent un matériau et diffusent des champs magnétiques générés par les atomes d'un matériau, ils brossent un portrait atomique ou même un modèle 3D de l'arrangement atomique du matériau et révèlent comment les atomes du système se comportent.

Les neutrons ont un "spin, " ou orientation, comme les pôles nord et sud des aimants de réfrigérateur. Dans un faisceau de neutrons typique, les neutrons à l'intérieur du faisceau ont des spins disposés de manière aléatoire. Mesure de certains systèmes magnétiques très dynamiques ou complexes, cependant, demande plus d'uniformité, qui est fourni par un faisceau de neutrons polarisés dans lequel chaque spin de neutrons est aligné parallèlement et avec la même orientation.

"Les filtres de polarisation des neutrons nous permettent de voir à travers les choses que nous ne voulons pas voir qui pourraient brouiller le signal qui nous intéresse, " a déclaré Barry Winn, spécialiste des instruments. " De la même manière que les lentilles polarisées permettent aux pêcheurs de voir nager des poissons qui seraient autrement bloqués par la réflexion de l'eau. "

Les neutrons modifieront leurs spins de manière prévisible lorsqu'ils se disperseront. L'utilisation d'un faisceau polarisé permet aux chercheurs de mieux comprendre ce qui se passe dans un matériau en établissant le spin des neutrons avant et en mesurant le spin des neutrons après que le faisceau frappe l'échantillon. Par exemple, le spin d'un neutron pourrait être inversé dans la direction opposée pendant la diffusion.

"Aux Etats-Unis, la plupart des mesures que nous avons effectuées avec des neutrons polarisés jusqu'à présent ont été basées sur le fait que le neutron, après avoir été diffusé du matériau ou de son champ magnétique, subit une rotation de 180 degrés ou conserve son orientation. Nous appelons cela spin-flip et non-spin-flip, " dit Winn.

"Mais il y a un problème avec ça. Si nous obtenons une dispersion de l'échantillon qui est autre chose qu'un non-spin-flip ou un spin-flip - ou quelque chose d'autre que 0 et 180 degrés - alors la stratégie nous explose au visage. "

La stratégie fonctionne bien pour les matériaux magnétiques conventionnels tels que les ferromagnétiques et les antiferromagnétiques, dans laquelle tous les atomes magnétiques pointent soit dans la même direction, soit dans des directions alternées, mais restent parallèles à leurs voisins. Cependant, la stratégie ne fonctionne pas pour les structures magnétiques plus complexes.

Par exemple, la technique est limitée lorsqu'il s'agit d'étudier des particules exotiques telles que des skyrmions - des quasi-particules qui présentent un mouvement chiral, ou des tourbillons enchevêtrés, ou des tourbillons de lignes de champ asymétriques. De telles particules offrent un potentiel intéressant pour les matériaux utilisés dans les applications avancées de stockage de données et d'informatique quantique.

Pour s'attaquer au problème, Le scientifique en polarisation Peter Jiang dirige une équipe ORNL comprenant Winn et Silva dans un projet de recherche et développement dirigé en laboratoire pour développer la polarimétrie sphérique des neutrons pour plusieurs lignes de lumière ORNL. La technologie permettra des mesures neutroniques de matériaux qui ne sont pas conformes aux domaines traditionnels de spin-flip et de non-spin-flip, ou, en d'autres termes, permettra aux chercheurs de voir le comportement magnétique dynamique qui existe entre les deux.

« Les techniques traditionnelles ne sont pas assez sophistiquées pour étudier certains systèmes magnétiques complexes, " dit Jiang. " Maintenant, nous ne sommes plus limités aux spin-flips. Cela nous permet d'examiner des arrangements magnétiques que nous n'étions pas en mesure de comprendre auparavant."

La polarimétrie neutronique sphérique a été utilisée en Europe, et maintenant Jiang et l'équipe ORNL adaptent la technologie aux instruments de SNS et HFIR. Ils construisent la technologie sur la base des recherches en cours menées par Tianhao Wang, d'abord en tant qu'étudiant diplômé à l'Université de l'Indiana, Bloomington, et plus tard en tant que recherche postdoctorale dans l'équipe ORNL.

La technologie de base intègre des dispositifs optiques supplémentaires installés à la fois sur le faisceau entrant qui frappe l'échantillon - le faisceau incident - et le faisceau sortant qui le diffuse, qui permet des mesures de neutrons diffusés orientés dans n'importe quelle direction. La technologie ORNL s'appuie sur les conceptions de prototypes précédentes et offrira plusieurs innovations.

Avec les appareils de polarimétrie à neutrons sphériques ORNL, la trajectoire du faisceau diffusé n'a pas besoin d'être alignée avec le faisceau incident mais peut à la place être inclinée autour de l'échantillon.

« Cela signifie que si le neutron ne subit pas de retournement complet, nous pouvons ajuster le champ à l'autre extrémité, ou déplacer l'appareil pour détecter les neutrons diffusés dans différentes directions, " expliqua Silva.

L'équipe a également développé deux systèmes de refroidissement indépendants pour permettre aux chercheurs d'étudier comment les structures magnétiques changent en fonction de la température. Le premier système refroidit deux composants sphériques de polarisation des neutrons situés de part et d'autre de l'échantillon pour les rendre supraconducteurs. Le deuxième système introduit un cryostat supplémentaire doté d'une capacité de remplissage automatique d'hélium liquide qui permet aux chercheurs d'explorer plus facilement des matériaux dans une plage de températures sans interférer avec les températures requises pour la supraconductivité dans le premier système.

Finalement, les dispositifs de polarimétrie à neutrons sphériques sont réalisés avec des matériaux plus performants. Alors que les conceptions précédentes utilisent du niobium pour les feuilles supraconductrices, la nouvelle conception utilise un oxyde d'yttrium-baryum-cuivre (YBCO) supraconducteur à 93 Kelvin (-292° F), une température nettement plus élevée que son prédécesseur au niobium. En outre, les films supraconducteurs sont couplés à des culasses en métal Mu qui se combinent pour protéger tous les autres champs magnétiques et établir un champ nul autour de l'échantillon pour étudier les spins des matériaux dans leur état naturel.

"Atteindre la supraconductivité nécessite une puissance de refroidissement importante. Le niobium doit être refroidi en dessous de 10 K pour maintenir la supraconductivité, les conceptions européennes nécessitaient donc des systèmes de refroidissement étendus qui devaient souvent être remplis manuellement d'hélium liquide, " a déclaré Jiang.

"Avec les films YBCO haute température, nous pouvons utiliser un réfrigérateur à cycle fermé à une seule étape pour refroidir le film bien en dessous de sa température critique, nous ne sommes donc pas inquiets d'une perte de supraconductivité. Et, avec le système de remplissage automatique d'hélium liquide ajouté pour le cryostat et le système de réfrigération à cycle fermé, l'appareil sera plus facile à utiliser et plus efficace."

Quoi de plus, le système est compact par rapport aux systèmes précédents - les supraconducteurs à haute température qui éliminent le besoin d'un grand système de refroidissement le rendent mobile.

" Si quoi que ce soit, il y a un témoignage de la portabilité de l'appareil. Nous l'avons déplacé vers le réacteur nucléaire de l'Université du Missouri, puis retour à HFIR, et du HFIR au SNS, " a déclaré Silva. "Je l'ai assemblé et démonté plusieurs fois, et à chaque fois, j'ai trouvé des moyens plus faciles de connecter les pièces - juste de petits changements de qualité de vie que nous apportons pour améliorer son utilité."

Le système a été testé avec succès, dans lequel des mesures de polarisation complète ont été effectuées en utilisant plusieurs matériaux connus, y compris le silicium, oxyde de manganèse, et bismuth-oxyde de fer.

L'équipe prévoit de mettre en œuvre le système au spectromètre à trois axes PTAX de HFIR et au diffractomètre GP-SANS, qui sera optimisé pour le faisceau de neutrons en régime permanent du réacteur, avec des capacités complètes attendues d'ici la fin de 2020.

Ensuite, l'équipe développera un dispositif similaire de polarimétrie à neutrons sphériques exclusivement pour l'instrument HYSPEC au SNS, ce qui en fera le seul instrument au monde à coupler un réseau de super-miroirs et une capacité grand angle. L'appareil bénéficiera également des capacités uniques permises par l'accélérateur à source pulsée SNS.

"En attendant, " dit Winn, "nous allons avoir un bourreau de travail dans PTAX qui va nous époustoufler."