在最基本層面上了解磁性對於開發更強大的電子產品至關重要，但具有更復雜磁性結構的材料，需要更復雜的工具來研究它們。美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）兩個世界上最強大的中子散射源正在升級。增加一種名為球形中子偏振測量的先進能力，將使使用橡樹嶺國家實驗室的高通量同位素反應堆(HFIR)和散裂中子源(SNS)的研究人員，能夠測量具有奇異磁結構和量子態的材料，這些材料以前是無法獲得的。
橡樹嶺國家實驗室博士後研究員尼古拉斯·席爾瓦(Nicolas Silva)說：中子是研究磁現象的理想選擇，中子是電中性的（不帶電荷），並且表現出磁矩，這讓它們本身就像微小的磁鐵。當中子穿過材料並散射出由材料原子產生的磁場時，它們繪製了材料原子排列的原子肖像，甚至是3-D模型，並揭示了系統內原子的行為方式。中子有“自旋”或取向，就像冰箱磁鐵的北極和南極一樣，在典型的中子束中，束內的中子具有隨機排列的自旋。
然而，測量某些高度動態或複雜的磁系統需要更多均勻性，這是由極化中子束提供，在極化中子束中，每個中子自旋平行並以相同的方向排列。儀器科學家巴里·溫說：中子偏振濾光片可以讓我們看透那些看不到的東西，這些東西可能會混淆信號。類似於偏振鏡片可以讓垂釣者看到魚在下面游來游去，否則這些魚就會被水的反射所阻擋。中子散射時會以可預見的方式改變自旋，使用偏振光束使研究人員能夠更好地瞭解材料中發生的事情。
方法是在光束擊中樣品之前建立中子自旋，並測量中子自旋。例如，在散射過程中，中子的自旋可能會向相反的方向翻轉。到目前為止，對極化中子所做的大多數測量都是基於中子在從材料或其磁場散射後，是否會旋轉180度或保持其方向不變，研究稱之為自旋翻轉和非自旋翻轉。但這有一個問題：如果從樣品上得到的任何散射不是非自旋翻轉或自旋翻轉，那麼這個策略就會失敗。
這一策略對鐵磁體和反鐵磁體等傳統磁性材料很有效，在這些材料中，所有的磁原子要麼指向同一方向，要麼指向交替方向，但仍與相鄰原子平行，然而不適用於更復雜的磁結構。例如，當涉及到研究奇異粒子時，這項技術是有限的，比如Skyrmions-表現出手性特徵運動的準粒子，或者糾纏的漩渦，或者不對稱場線的漩渦。這種粒子為用於先進數據存儲和量子計算應用的材料提供了令人興奮的潛力。
為了解決這個問題，偏振科學家Peter正在領導包括Winn和Silva在內的ORNL團隊進行實驗室指導研發項目，以開發用於多個ORNL光束線的球面中子偏振測量。這項技術將使不符合傳統自旋翻轉和非自旋翻轉磁疇材料的中子測量成為可能，換句話說，將使研究人員能夠看到存在於兩者之間的動態磁行為。傳統技術還不夠複雜，不足以研究某些複雜的磁系統，現在不再侷限於旋轉翻轉，這讓研究人員可以看到以前無法弄清楚的磁性排列。
球面中子偏振儀已經在歐洲使用，現在研究團隊正在將這項技術應用於SNS和HFIR的儀器。這項基本技術包括安裝在擊中樣品的入射光束(入射光束)和散射出的出射光束上的額外光學設備，這使得能夠測量任何方向的散射中子。ORNL技術建立在以前的原型設計基礎上，並將提供幾項創新。使用ORNL球面中子偏振裝置，散射束的軌跡不需要與入射光束一致，而是可以繞樣品成角度。這意味著如果中子沒有完全翻轉，可以調整另一端的磁場，或者移動儀器來探測不同方向的中子散射。
研究團隊還開發了兩個獨立的冷卻系統，使研究人員能夠研究磁結構如何隨著溫度的變化而變化。第一個系統冷卻位於樣品兩側的兩個球形中子極化分量，使其超導。第二個系統引入了一個額外具有液氦自動充填能力的低溫恆溫器，使研究人員可以更容易地在一定溫度範圍內探索材料，而不會干擾第一個系統中超導所需的溫度，最後，用更高效的材料製作了球形中子偏振裝置。
以前的設計將鈮用於超導薄片，而新設計使用了一種超導溫度為93開爾文(-292°F)的釔鋇銅氧化物(YBCO)，這比其前身鈮的溫度高得多。此外，超導薄膜與金屬鉬磁軛耦合在一起，屏蔽所有其他磁場，並在樣品周圍建立零場，以研究材料在其自然狀態下的自旋。達到超導性需要相當大的冷卻功率，鈮需要冷卻到10K以下才能保持超導電性，所以歐洲的設計需要很大的冷卻系統，而這些冷卻系統必須經常手動補充液氦。
有了高溫YBCO薄膜，可以使用單級閉路製冷機將薄膜冷卻到遠低於其臨界溫度，所以不擔心超導電性的任何損失。而且，有了為恆溫器和閉路循環制冷系統增加的液氦自動填充系統，該設備將更容易使用，效率也更高。更重要的是，與以前的系統相比，該系統非常小型。高溫超導體消除了對大型冷卻系統的需求，使其可以移動。如果說有什麼不同的話，那就是證明了該設備的便攜程度，該系統已經成功地進行了測試：
其中使用了包括硅、錳氧化物和鉍鐵氧化物在內的幾種已知材料進行了全極化測量。研究團隊計劃在HFIR的PTAX三軸光譜儀和GP-SANS衍射儀上實施該系統，該系統將針對反應堆的穩態中子束進行優化，預計到2020年底全面具備能力。並將專門為SNS的HYSPEC儀器開發類似球面中子偏振裝置，這將使其成為世界上唯一將超級反射鏡陣列和廣角能力結合在一起的儀器。該設備還將受益於SNS脈衝源加速器提供的獨特功能。
博科園｜研究/來自：橡樹嶺國家實驗室
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