如何才能测量到：具有奇异磁结构和量子态的材料？

刘金栋

在最基本层面上了解磁性对于开发更强大的电子产品至关重要，但具有更复杂磁性结构的材料，需要更复杂的工具来研究它们。美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）两个世界上最强大的中子散射源正在升级。增加一种名为球形中子偏振测量的先进能力，将使使用橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆(HFIR)和散裂中子源(SNS)的研究人员，能够测量具有奇异磁结构和量子态的材料，这些材料以前是无法获得的。


橡树岭国家实验室博士后研究员尼古拉斯·席尔瓦(Nicolas Silva)说：中子是研究磁现象的理想选择，中子是电中性的（不带电荷），并且表现出磁矩，这让它们本身就像微小的磁铁。当中子穿过材料并散射出由材料原子产生的磁场时，它们绘制了材料原子排列的原子肖像，甚至是3-D模型，并揭示了系统内原子的行为方式。中子有“自旋”或取向，就像冰箱磁铁的北极和南极一样，在典型的中子束中，束内的中子具有随机排列的自旋。
然而，测量某些高度动态或复杂的磁系统需要更多均匀性，这是由极化中子束提供，在极化中子束中，每个中子自旋平行并以相同的方向排列。仪器科学家巴里·温说：中子偏振滤光片可以让我们看透那些看不到的东西，这些东西可能会混淆信号。类似于偏振镜片可以让垂钓者看到鱼在下面游来游去，否则这些鱼就会被水的反射所阻挡。中子散射时会以可预见的方式改变自旋，使用偏振光束使研究人员能够更好地了解材料中发生的事情。


方法是在光束击中样品之前建立中子自旋，并测量中子自旋。例如，在散射过程中，中子的自旋可能会向相反的方向翻转。到目前为止，对极化中子所做的大多数测量都是基于中子在从材料或其磁场散射后，是否会旋转180度或保持其方向不变，研究称之为自旋翻转和非自旋翻转。但这有一个问题：如果从样品上得到的任何散射不是非自旋翻转或自旋翻转，那么这个策略就会失败。
这一策略对铁磁体和反铁磁体等传统磁性材料很有效，在这些材料中，所有的磁原子要么指向同一方向，要么指向交替方向，但仍与相邻原子平行，然而不适用于更复杂的磁结构。例如，当涉及到研究奇异粒子时，这项技术是有限的，比如Skyrmions-表现出手性特征运动的准粒子，或者纠缠的漩涡，或者不对称场线的漩涡。这种粒子为用于先进数据存储和量子计算应用的材料提供了令人兴奋的潜力。


为了解决这个问题，偏振科学家Peter正在领导包括Winn和Silva在内的ORNL团队进行实验室指导研发项目，以开发用于多个ORNL光束线的球面中子偏振测量。这项技术将使不符合传统自旋翻转和非自旋翻转磁畴材料的中子测量成为可能，换句话说，将使研究人员能够看到存在于两者之间的动态磁行为。传统技术还不够复杂，不足以研究某些复杂的磁系统，现在不再局限于旋转翻转，这让研究人员可以看到以前无法弄清楚的磁性排列。
球面中子偏振仪已经在欧洲使用，现在研究团队正在将这项技术应用于SNS和HFIR的仪器。这项基本技术包括安装在击中样品的入射光束(入射光束)和散射出的出射光束上的额外光学设备，这使得能够测量任何方向的散射中子。ORNL技术建立在以前的原型设计基础上，并将提供几项创新。使用ORNL球面中子偏振装置，散射束的轨迹不需要与入射光束一致，而是可以绕样品成角度。这意味着如果中子没有完全翻转，可以调整另一端的磁场，或者移动仪器来探测不同方向的中子散射。
研究团队还开发了两个独立的冷却系统，使研究人员能够研究磁结构如何随着温度的变化而变化。第一个系统冷却位于样品两侧的两个球形中子极化分量，使其超导。第二个系统引入了一个额外具有液氦自动充填能力的低温恒温器，使研究人员可以更容易地在一定温度范围内探索材料，而不会干扰第一个系统中超导所需的温度，最后，用更高效的材料制作了球形中子偏振装置。
以前的设计将铌用于超导薄片，而新设计使用了一种超导温度为93开尔文(-292°F)的钇钡铜氧化物(YBCO)，这比其前身铌的温度高得多。此外，超导薄膜与金属钼磁轭耦合在一起，屏蔽所有其他磁场，并在样品周围建立零场，以研究材料在其自然状态下的自旋。达到超导性需要相当大的冷却功率，铌需要冷却到10K以下才能保持超导电性，所以欧洲的设计需要很大的冷却系统，而这些冷却系统必须经常手动补充液氦。
有了高温YBCO薄膜，可以使用单级闭路制冷机将薄膜冷却到远低于其临界温度，所以不担心超导电性的任何损失。而且，有了为恒温器和闭路循环制冷系统增加的液氦自动填充系统，该设备将更容易使用，效率也更高。更重要的是，与以前的系统相比，该系统非常小型。高温超导体消除了对大型冷却系统的需求，使其可以移动。如果说有什么不同的话，那就是证明了该设备的便携程度，该系统已经成功地进行了测试：
其中使用了包括硅、锰氧化物和铋铁氧化物在内的几种已知材料进行了全极化测量。研究团队计划在HFIR的PTAX三轴光谱仪和GP-SANS衍射仪上实施该系统，该系统将针对反应堆的稳态中子束进行优化，预计到2020年底全面具备能力。并将专门为SNS的HYSPEC仪器开发类似球面中子偏振装置，这将使其成为世界上唯一将超级反射镜阵列和广角能力结合在一起的仪器。该设备还将受益于SNS脉冲源加速器提供的独特功能。
博科园｜研究/来自：橡树岭国家实验室
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