Compreender o magnetismo em seu nível mais fundamental é vital para o desenvolvimento de eletrônicos mais poderosos, mas materiais com estruturas magnéticas mais complexas requerem ferramentas mais complexas para estudá-los - ferramentas poderosas simplesmente chamadas de "nêutrons".

Duas das fontes mais poderosas do mundo para espalhamento de nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) estão recebendo atualizações. Adicionar uma capacidade avançada chamada polarimetria esférica de nêutrons permitirá que os pesquisadores que usam o High Flux Isotope Reactor (HFIR) e Spallation Neutron Source (SNS) façam medições de materiais com estruturas magnéticas exóticas e estados quânticos que antes eram inacessíveis nos Estados Unidos.

"Os nêutrons são ideais para estudar fenômenos magnéticos, "disse o pesquisador de pós-mestrado do ORNL Nicolas Silva." Eles são eletricamente neutros, ou não tem custo, e exibem momentos magnéticos, o que os torna como pequenos ímãs. "

Quando nêutrons passam por um material e se espalham por campos magnéticos gerados pelos átomos de um material, eles pintam um retrato atômico ou mesmo um modelo 3-D do arranjo atômico do material e revelam como os átomos dentro do sistema estão se comportando.

Os nêutrons têm uma "rotação, "ou orientação, como os pólos norte e sul dos ímãs de geladeira. Em um feixe de nêutrons típico, os nêutrons dentro do feixe têm spins que são arranjados aleatoriamente. Medindo certos sistemas magnéticos altamente dinâmicos ou complexos, Contudo, requer mais uniformidade, que é fornecido por um feixe de nêutrons polarizado no qual cada spin de nêutron está alinhado em paralelo e com a mesma orientação.

"Filtros de polarização de nêutrons nos permitem ver através das coisas que não queremos ver e que podem estar atrapalhando o sinal em que estamos interessados, "disse o cientista de instrumentos Barry Winn." Semelhante a como as lentes polarizadas permitem que os pescadores vejam peixes nadando abaixo que seriam bloqueados pelo reflexo da água. "

Os nêutrons mudarão seus spins de maneiras previsíveis quando se dispersarem. Usar um feixe polarizado permite aos pesquisadores entender melhor o que está acontecendo em um material, estabelecendo o spin do nêutron antes e medindo o spin do nêutron depois que o feixe atinge a amostra. Por exemplo, o spin de um nêutron pode ser invertido na direção oposta durante o espalhamento.

"Nos E.U.A, a maioria das medições que temos feito com nêutrons polarizados até agora foram baseadas em se o nêutron, depois de ser espalhado pelo material ou seu campo magnético, é girado 180 graus ou preserva sua orientação. Chamamos isso de spin-flip e non-spin-flip, "disse Winn.

"Mas há um problema com isso. Se conseguirmos qualquer dispersão da amostra que seja algo diferente de um non-spin-flip ou spin-flip - ou algo diferente de 0 e 180 graus - então a estratégia explode na nossa cara."

A estratégia funciona bem para materiais magnéticos convencionais, como ferromagnetos e antiferromagnetos, em que todos os átomos magnéticos estão apontando na mesma direção ou em direções alternativas, mas permanecem paralelos aos seus vizinhos. Contudo, a estratégia não funciona para estruturas magnéticas mais complexas.

Por exemplo, a técnica é limitada quando se trata de investigar partículas exóticas, como skyrmions - quase-partículas que exibem movimento quiral, ou vórtices emaranhados, ou redemoinhos de linhas de campo assimétricas. Essas partículas fornecem um potencial estimulante para materiais usados ​​em armazenamento de dados avançados e aplicativos de computação quântica.

Para resolver o problema, o cientista de polarização Peter Jiang está liderando uma equipe ORNL incluindo Winn e Silva em um projeto de pesquisa e desenvolvimento dirigido por laboratório para desenvolver polarimetria de nêutrons esféricos para múltiplas linhas de luz ORNL. A tecnologia permitirá medições de nêutrons de materiais que não estão em conformidade com os domínios tradicionais de spin-flip e não-spin-flip, ou, em outras palavras, permitirá que os pesquisadores vejam o comportamento magnético dinâmico que existe entre eles.

"As técnicas tradicionais não são sofisticadas o suficiente para estudar certos sistemas magnéticos complexos, "disse Jiang." Agora, não estamos mais restritos a spin-flips. Isso nos permite observar arranjos magnéticos que não éramos capazes de descobrir antes. "

A polarimetria esférica de nêutrons tem sido usada na Europa, e agora Jiang e a equipe ORNL estão adaptando a tecnologia aos instrumentos do SNS e HFIR. Eles estão construindo a tecnologia com base em pesquisas em andamento conduzidas por Tianhao Wang, primeiro como estudante de pós-graduação na Universidade de Indiana, Bloomington, e depois como pesquisa de pós-doutorado na equipe ORNL.

A tecnologia básica incorpora dispositivos ópticos adicionais instalados no feixe de entrada que atinge a amostra - o feixe incidente - e o feixe de saída que o espalha, que permite medições de nêutrons espalhados orientados em qualquer direção. A tecnologia ORNL se baseia em designs de protótipos anteriores e oferecerá várias inovações.

Com os dispositivos de polarimetria de nêutrons esféricos ORNL, a trajetória do feixe espalhado não precisa estar alinhada com o feixe incidente, mas pode ser inclinada em torno da amostra.

"Isso significa que se o nêutron não experimenta uma reviravolta completa, podemos ajustar o campo do outro lado, ou mover o aparelho para detectar o espalhamento de nêutrons em diferentes direções, "explicou Silva.

A equipe também desenvolveu dois sistemas de resfriamento independentes para permitir aos pesquisadores estudar como as estruturas magnéticas mudam em função da temperatura. O primeiro sistema resfria dois componentes de polarização de nêutrons esféricos localizados em cada lado da amostra para torná-los supercondutores. O segundo sistema apresenta um criostato extra com capacidade de auto-recarga de hélio líquido que permite aos pesquisadores explorar mais facilmente os materiais sob uma faixa de temperaturas, sem interferir com as temperaturas necessárias para a supercondutividade no primeiro sistema.

Finalmente, os dispositivos de polarimetria de nêutrons esféricos são feitos com materiais mais eficientes. Considerando que os projetos anteriores usam nióbio para as folhas supercondutoras, o novo design usa óxido de ítrio-bário-cobre (YBCO) que superconduta a 93 Kelvin (-292 ° F), uma temperatura significativamente mais alta do que seu antecessor de nióbio. Adicionalmente, os filmes supercondutores são acoplados a culatras de Mu-metal que se combinam para proteger todos os outros campos magnéticos e estabelecer um campo zero ao redor da amostra para estudar os spins dos materiais em seu estado natural.

"Alcançar a supercondutividade requer uma quantidade significativa de potência de resfriamento. O nióbio precisa ser resfriado a menos de 10 K para manter a supercondutividade, portanto, os projetos europeus exigiam sistemas de resfriamento extensos que precisavam ser recarregados manualmente com hélio líquido com frequência, "disse Jiang.

"Com os filmes YBCO de alta temperatura, podemos usar um refrigerador de ciclo fechado de estágio único para resfriar o filme muito abaixo de sua temperatura crítica, portanto, não estamos preocupados com qualquer perda de supercondutividade. E, com o sistema de preenchimento automático de hélio líquido adicionado para o criostato e o sistema de refrigeração de ciclo fechado, o dispositivo será mais fácil de usar e mais eficiente. "

O que mais, o sistema é compacto em comparação com os sistemas anteriores - os supercondutores de alta temperatura que negam a necessidade de um grande sistema de resfriamento o tornam móvel.

"Se alguma coisa, há uma prova de como o dispositivo é portátil. Nós o mudamos para o reator nuclear da Universidade de Missouri, em seguida, de volta ao HFIR, e de HFIR para SNS, "disse Silva." Eu o montei e desmontei várias vezes, e cada vez descobri maneiras mais fáceis de conectar as peças - apenas pequenas mudanças na qualidade de vida que estamos fazendo para melhorar sua utilidade. "

O sistema foi testado com sucesso, em que medições de polarização total foram feitas usando vários materiais conhecidos, incluindo silício, óxido de manganês, e óxido de ferro de bismuto.

A equipe planeja implementar o sistema no espectrômetro de eixo triplo PTAX da HFIR e no difratômetro GP-SANS, que será otimizado para o feixe de nêutrons em estado estacionário do reator, com capacidade total esperada até o final de 2020.

Subseqüentemente, a equipe desenvolverá um dispositivo de polarimetria esférica de nêutrons semelhante exclusivamente para o instrumento HYSPEC no SNS, o que o tornará o único instrumento no mundo que acopla um conjunto de superespelhos e capacidade de grande angular. O dispositivo também se beneficiará dos recursos exclusivos habilitados pelo acelerador de fonte pulsada SNS.

"Enquanto isso, "disse Winn, "vamos ter um burro de carga na PTAX que vai nos surpreender."