Les scientifiques qui repoussent les limites des instruments de diffusion de neutrons les plus avancés au monde savent qu'une petite quantité de distorsion dans leurs mesures est inévitable. Pour certaines expériences, cette distorsion est facilement expliquée, mais dans d'autres types de recherche, elle peut entraîner des résultats inexacts.

Pourquoi une petite quantité de distorsion est-elle importante ? C'est comme quand un détective relève une empreinte digitale dans un verre d'eau. La courbure du verre déforme légèrement l'empreinte digitale, ce qui rend difficile la correspondance de l'empreinte avec l'empreinte digitale d'un suspect au dossier. Dans un tel cas, il serait utile s'il y avait un moyen de supprimer la distorsion de l'empreinte digitale trouvée sur le verre.

Quelque chose comme cela s'est produit lorsque des scientifiques du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) ont utilisé le spectromètre de diffusion de neutrons SEQUOIA de classe mondiale à la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL. Les chercheurs mesuraient les dispersions d'ondes de spin à partir d'un matériau cristallin magnétique. Ils ont découvert que les données (l'empreinte digitale) obtenues à partir de SEQUOIA (le verre) étaient légèrement déformées par les limites de résolution de l'instrument, malgré sa conception à la pointe de la technologie.

Pour résoudre le problème, les chercheurs ont développé une nouvelle technique de calcul qui a amélioré la résolution effective de SEQUOIA de 500 % afin de faire correspondre les données aux valeurs connues de dispersion des ondes de spin. De plus, cette solution est pratiquement gratuite car elle ne nécessite aucun matériel supplémentaire et utilise un logiciel open source.

Les résultats de leurs efforts ont été publiés dans la revue AIP Review of Scientific Instruments .

"Nous avons prédit que si nous pouvions mesurer la quantité de distorsion inhérente à la collecte de données de SEQUOIA, nous pourrions alors appliquer une correction qui augmenterait la résolution effective de l'instrument", a déclaré Jiao Lin, responsable scientifique du développement d'instruments pour le CUPI ^{2 Instrument D à la deuxième station cible (STS). "C'est similaire à la façon dont les ophtalmologistes évaluent votre vue, puis prescrivent des lunettes correctrices ou des lentilles de contact pour compenser la distorsion de votre vision."}

Contrairement aux ophtalmologistes qui testent uniquement en trois dimensions, les scientifiques devaient mesurer la distorsion de SEQUOIA sur quatre dimensions. Cela a rendu la tâche beaucoup plus difficile. Heureusement, les chercheurs ont eu accès au logiciel open source MCViNE de l'ORNL, qui peut être utilisé pour émuler des expériences de neutrons pour les ondes de spin mesurées par des instruments à neutrons comme SEQUOIA. L'équipe pensait pouvoir appliquer le logiciel d'une manière différente pour obtenir des mesures 4D de la distorsion.

« Pour simplifier les mesures 4D, nous avons utilisé le logiciel MCViNE pour effectuer des mesures 2D le long de deux axes à la fois. Nous l'avons fait à la fois pour l'image expérimentale déformée et pour le modèle idéalisé haute résolution que nous avons développé », a déclaré Matt Stone, responsable scientifique de l'instrument SEQUOIA. au SNS. "Nous avons ensuite répété les mesures 2D le long de nombreux autres axes et interpolé les résultats pour approximer un modèle 4D. De cette façon, nous avons pu mesurer les écarts entre l'image réelle et notre modèle."

L'équipe a adapté une technologie de vision stéréo computationnelle qui est comparable à la façon dont les lunettes 3D créent l'illusion de profondeur dans les films. Ils pouvaient visualiser la distorsion le long des différents axes du modèle une tranche à la fois et compenser les distorsions dans leurs mesures d'origine. La technique de super-résolution a atteint une résolution jusqu'à 5 fois meilleure que les méthodes précédentes.

"Une fois que nous avons identifié la quantité et la position de la distorsion dans les données par rapport au modèle idéalisé, nous avons pu appliquer des corrections aux données", a déclaré Gabriele Sala, responsable scientifique des instruments de la ligne de lumière STS CHESS. "Nous avons ensuite utilisé l'ensemble de données corrigé pour générer une dispersion d'onde de spin beaucoup plus précise qui correspondait à l'un des modèles possibles connus."

Les chercheurs sont convaincus que la même approche de super-résolution peut être appliquée à d'autres instruments et expériences à neutrons. "Cette technique peut être utilisée dans un large éventail d'applications expérimentales", a déclaré Lin.

Pour une résolution et une précision encore plus grandes, l'équipe pense qu'il sera possible de mettre à jour la technique de résolution 2D pour résoudre directement les mesures 4D. Cela pourrait également supprimer la limitation de dispersion unique. + Explorer plus loin

Le nouveau logiciel ORNL améliore la résolution des données de spectroscopie neutronique