Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) ont terminé la mise en service préliminaire d'un nouvel aimant de 14 teslas à la source de neutrons de spallation (SNS). Ce nouvel environnement d'échantillonnage permet aux chercheurs d'explorer la physique fondamentale derrière le comportement complexe de la matière quantique.

L'aimant, qui dispose également d'un insert de réfrigérateur à dilution en option, est le dernier environnement d'échantillonnage à basse température mis en service chez SNS. Pesant 2, 670 livres et mesurant près de 7 pieds de haut, cet appareil massif est un excellent outil pour les chercheurs qui souhaitent en savoir plus sur les matériaux qui présentent des phénomènes quantiques. Son puissant champ magnétique oblige les particules quantiques à se comporter de manière ordonnée, donnant aux scientifiques la possibilité de localiser des modèles dans des systèmes quantiques autrement désordonnés. Et avec son réfrigérateur, qui peut refroidir les échantillons jusqu'à -459,65 ° F, les scientifiques peuvent essentiellement "geler" les vibrations moléculaires dans les matériaux qui pourraient apparaître comme un bruit de fond dans les études de diffusion des neutrons. Cela permet des mesures plus précises des excitations associées aux aimants quantiques.

"Les systèmes quantiques manquent souvent d'ordre discernable. Cela rend difficile la compréhension de leurs caractéristiques fondamentales. Ce nouvel environnement d'échantillons nous permet de mettre de l'ordre dans ces systèmes que nous sommes intéressés à étudier, " a déclaré Matt Stone, chercheur principal en instrumentation à l'ORNL.

Stone a expliqué que l'aimant de 14 teslas produit un champ magnétique très bien adapté à de nombreuses expériences de diffusion de neutrons sur des matériaux quantiques en cours au SNS. Mais, il ajouta, Les installations de diffusion de neutrons de l'ORNL peuvent gérer des échantillons d'environnements qui produisent des champs magnétiques beaucoup plus importants.

"Un champ magnétique de 14 teslas nous permet de diffuser des neutrons à travers une grande ouverture d'angle de diffusion. Il est idéal pour explorer une large gamme de matériaux et de comportements quantiques, y compris des choses comme le magnétisme quantique et les liquides de spin, " dit-il. " Soyez assuré, bien que, que des environnements d'échantillons de champ magnétique plus importants sont déjà envisagés pour le développement dans les installations de diffusion de neutrons de l'ORNL. »

Stone a passé trois ans à concevoir et à tester l'aimant de 14 teslas aux côtés de collègues de l'ORNL et d'Oxford Instruments, une société d'instrumentation scientifique basée à Oxford, Angleterre. Il a fallu encore trois semaines aux techniciens et aux ingénieurs pour assembler l'aimant, qui est arrivé d'Oxford dans 13 énormes caisses.

"C'était un gros projet, mais ça s'est très bien passé. Notre personnel et nos pairs d'Oxford Instruments ont assemblé cet exemple d'environnement avec un soin méticuleux, et cette diligence est ce qui a rendu cette assemblée si réussie, " a déclaré Saad Elorfi, un maître technicien au sein de l'équipe environnement échantillon basse température et aimant de l'ORNL.

Les neutrons sont d'excellents outils pour étudier les systèmes quantiques. Ils n'ont pas de charge électrique, mais ils ont un moment magnétique, ce qui les rend sensibles aux matériaux magnétiques tels que les aimants quantiques.

"En plus de leur sensibilité aux structures magnétiques, les neutrons des instruments à neutrons froids de l'ORNL sont particulièrement utiles pour étudier les phénomènes quantiques car ils sont produits à une énergie similaire à celle que nous voyons dans les excitations quantiques, " dit Pierre.

Stone dit qu'un certain nombre de chercheurs l'ont déjà contacté au sujet de l'utilisation de l'aimant de 14 teslas pour leurs expériences. L'aimant est mobile, ce qui signifie qu'il peut être installé sur un certain nombre d'instruments de diffusion de neutrons différents au SNS. Il s'agit notamment de SEQUOIA, HYSPEC, CORELLI, ARCS, et CNCS.

"Nous avons créé un atout puissant pour les scientifiques qui cherchent à explorer les matériaux quantiques, celui qui, nous l'espérons, produira des recherches révolutionnaires dans ce domaine, " dit Pierre.

SNS est une installation utilisateur du DOE Office of Science. UT-Battelle LLC gère ORNL pour le DOE Office of Science. L'Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque.