פתיחת הסודות הפנימיים של החומר בעזרת מראות ניוטרונים מהדור הבא

מראות נויטרונים משופרות יכולות להגביר את היעילות של ניתוח החומרים במקורות נויטרונים כמו מקור התזוזה האירופי, שנבנה מחוץ לונד, שוודיה. המראה המשופרת פותחה על ידי חוקרים מאוניברסיטת לינקופינג על ידי ציפוי צלחת סיליקון בשכבות דקות במיוחד של ברזל וסיליקון מעורבבים עם בורון קרביד. המחקר שלהם פורסם בכתב העת התקדמות המדע.

"במקום להגדיל את ההספק של מקור הנייטרונים, שהוא יקר מאוד, עדיף להתמקד בשיפור האופטיקה", אומר פרדריק אריקסון, חוקר בחטיבת הפיזיקה לסרטים דקים באוניברסיטת לינקופינג.

יחד עם פרוטונים, נויטרונים יוצרים גרעיני אטום. בהתאם למספר הנייטרונים בגרעין, תכונות היסוד יכולות להיות שונות. בנוסף, ניתן להשתמש בניוטרונים גם לניתוח חומרים שונים ברמה מאוד מפורטת. שיטה זו נקראת פיזור נויטרונים.

מדידות כאלה מתבצעות במעבדות מיוחדות למחקר נויטרונים הנקראות מקורות נויטרונים. מעבדה אחת כזו, European Spallation Source, או ESS, נבנית כעת מחוץ לונד. מדובר בהשקעה של 2 מיליארד אירו.

ניתן להשוות את ה-ESS ומקורות נויטרונים אחרים למיקרוסקופים מתקדמים המאפשרים למדענים לחקור חומרים שונים ותכונותיהם עד לרמה האטומית. הם משמשים בכל דבר, החל בחקר מבנים אטומיים, דינמיקה של חומרים ומגנטיות, ועד לתפקודים של חלבונים.

אופטיקה ניוטרונית מתקדמת

זה דורש כמויות אדירות של אנרגיה כדי שהנייטרונים ישתחררו מגרעיני האטום. כאשר הנייטרונים משתחררים במקור הנייטרונים, יש ללכוד אותם ולכוון אותם לעבר המטרה שלהם, כלומר החומר שיש לחקור. מראות מיוחדות משמשות לכוון ולקטב את הנייטרונים. אלה ידועים בתור אופטיקה של נויטרונים.

למרות של-ESS יהיה מקור הנייטרונים החזק ביותר בעולם, מספר הנייטרונים הזמינים בניסויים יהיה מוגבל. כדי להגדיל את מספר הנייטרונים המגיעים למכשירים, נדרשת אופטיקה מקטבת משופרת. זה משהו שחוקרים מאוניברסיטת לינקופינג השיגו כעת על ידי שיפור אופטיקה של נויטרונים בכמה נקודות חשובות כדי להגביר את היעילות.

"למראות שלנו יש החזר טוב יותר, מה שמגדיל את מספר הנייטרונים שמגיעים ליעד שלהם. המראה יכולה גם לקטב את הנייטרונים לאותו ספין הרבה יותר טוב, וזה חשוב לניסויים מקוטבים", אומר אנטון זובאייר, דוקטורנט במחלקה לפיזיקה, כימיה וביולוגיה והמחבר הראשי של המאמר שפורסם ב-Science Advances.

הוא ממשיך:

"כמו כן, מכיוון שזה כבר לא דורש מגנט גדול, ניתן למקם את המראה קרוב יותר לדגימות או לציוד רגיש אחר מבלי להשפיע על הדגימות עצמן, מה שבתורו מאפשר סוגים חדשים של ניסויים. בנוסף, הפחתנו גם את הפיזור המפוזר, מה שאומר שאנחנו יכולים להפחית רעשי רקע במדידות”.

חידושים טכנולוגיים וצפי עתיד

המראות מיוצרות על מצע סיליקון. באמצעות תהליך הנקרא קפיצת מגנטרון, ניתן לצפות את המצע באלמנטים נבחרים. תהליך זה מאפשר לצפות אותו במספר סרטים דקים זה על גבי זה, כלומר סרט רב שכבתי. במקרה זה, נעשה שימוש בסרטי ברזל וסיליקון, מעורבבים עם בורון קרביד מועשר איזוטופי. אם עובי השכבה הם באותו סדר גודל של אורך גל הנייטרונים, והממשק בין השכבות חלק מאוד, הנייטרונים יכולים לצאת מהמראה בשלב זה עם זה, מה שמעניק רפלקטיביות גבוהה.

פרדריק אריקסון מאמין שכל נויטרון יקר וכל שיפור קטן ביעילות האופטיקה של הנייטרונים הוא בעל ערך לשיפור הניסויים.

"על ידי הגדלת מספר הנייטרונים וגם שיקוף אנרגיות נויטרונים גבוהות יותר, נפתחות הזדמנויות לניסויים חלוציים ותגליות פורצות דרך על פני דיסציפלינות כולל פיזיקה, כימיה, ביולוגיה ורפואה", אומר פרדריק אריקסון.

עובדות: ניתוח ניוטרונים עושה שימוש ביכולתם של הנייטרונים להתנהג הן כגל והן כחלקיק. לנייטרונים הללו, בתורם, יכולים להיות שני ספינים שונים. חשוב בעיקר למחקרים מגנטיים להיות מסוגלים להשתמש בניוטרונים מקוטבים, כלומר נויטרונים עם ספין אחד בלבד.