De meilleurs miroirs à neutrons peuvent révéler les secrets intérieurs de la matière


Des miroirs à neutrons améliorés peuvent accroître l'efficacité de l'analyse des matériaux dans les sources de neutrons telles que l'ESS, en cours de construction à l'extérieur de Lund, en Suède. Le miroir amélioré a été développé par des chercheurs de l'Université de Linköping en recouvrant une plaque de silicium de couches extrêmement fines de fer et de silicium mélangés à du carbure de bore. Leur étude a été publiée dans la revue Avancées scientifiques.

« Au lieu d'augmenter la puissance de la source de neutrons, ce qui est extrêmement coûteux, il est préférable de se concentrer sur l'amélioration de l'optique », explique Fredrik Eriksson, chercheur à la division de physique des couches minces de l'université de Linköping.

Avec les protons, les neutrons forment des noyaux atomiques. Selon le nombre de neutrons dans un noyau, les propriétés de l'élément peuvent différer. De plus, les neutrons peuvent également être utilisés pour analyser différents matériaux à un niveau très détaillé. Cette méthode est appelée diffusion des neutrons.

Ces mesures sont effectuées dans des laboratoires spéciaux de recherche sur les neutrons appelés sources de neutrons. L'un de ces laboratoires, la Source européenne de spallation, ou ESS, est actuellement en construction à l'extérieur de Lund. Il s'agit d'un investissement de 2 milliards d'euros.

L'ESS et d'autres sources de neutrons peuvent être comparés à des microscopes avancés qui permettent aux scientifiques d'étudier divers matériaux et leurs propriétés jusqu'au niveau atomique. Ils sont utilisés dans tous les domaines, depuis l’étude des structures atomiques, la dynamique des matériaux et le magnétisme, jusqu’aux fonctions des protéines.

Il faut d’énormes quantités d’énergie pour que les neutrons soient libérés des noyaux atomiques. Lorsque les neutrons sont libérés dans la source de neutrons, ils doivent être capturés et dirigés vers leur cible, c'est-à-dire le matériau à étudier. Des miroirs spéciaux sont utilisés pour diriger et polariser les neutrons. C’est ce qu’on appelle l’optique neutronique.

Même si l'ESS disposera de la source de neutrons la plus puissante au monde, le nombre de neutrons disponibles dans les expériences sera limité. Pour augmenter le nombre de neutrons atteignant les instruments, une optique polarisante améliorée est nécessaire. C'est un objectif que des chercheurs de l'université de Linköping ont réussi à réaliser en améliorant l'optique neutronique sur plusieurs points importants pour en accroître l'efficacité.

« Nos miroirs ont une meilleure réflectance, ce qui augmente le nombre de neutrons qui atteignent leur cible. Le miroir peut également bien mieux polariser les neutrons dans le même spin, ce qui est important pour les expériences polarisées », explique Anton Zubayer, doctorant au Département de Physique, Chimie et Biologie et auteur principal de l'article publié dans Science Advances.

Il continue:

« De plus, comme cela ne nécessite plus un grand aimant, le miroir peut être placé plus près des échantillons ou d'autres équipements sensibles sans affecter les échantillons eux-mêmes, ce qui permet de nouveaux types d'expériences. De plus, nous avons également réduit la diffusion diffuse , ce qui nous permet de réduire le bruit de fond dans les mesures. »

Les miroirs sont fabriqués sur un substrat de silicium. Grâce à un procédé appelé pulvérisation magnétron, il est possible de recouvrir le substrat avec des éléments sélectionnés. Ce procédé permet de l'enduire de plusieurs films minces les uns sur les autres, c'est à dire un film multicouche. Dans ce cas, des films de fer et de silicium sont utilisés, mélangés à du carbure de bore enrichi en isotopes. Si les épaisseurs des couches sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde des neutrons et que l'interface entre les couches est très lisse, les neutrons peuvent sortir du miroir en phase les uns avec les autres, ce qui donne une réflectivité élevée.

Fredrik Eriksson estime que chaque neutron est précieux et que chaque petite amélioration de l'efficacité de l'optique neutronique est précieuse pour améliorer les expériences.

« En augmentant le nombre de neutrons et en reflétant également des énergies neutroniques plus élevées, des opportunités sont ouvertes pour des expériences pionnières et des découvertes révolutionnaires dans des disciplines telles que la physique, la chimie, la biologie et la médecine », explique Fredrik Eriksson.

Faits : L'analyse neutronique exploite la capacité des neutrons à se comporter à la fois comme une onde et comme une particule. Ces neutrons, à leur tour, peuvent avoir deux spins différents. Il est important, surtout pour les études magnétiques, de pouvoir utiliser des neutrons polarisés, c'est-à-dire des neutrons possédant un seul spin spécifique.

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