Спиновая спектроскопия мюонов, также известная как µSR, представляет собой экспериментальный метод, основанный на имплантации спин-поляризованных мюонов в материю и на обнаружении влияния атомного, молекулярного или кристаллического окружения на их спиновое движение. Движение спина мюона происходит из-за магнитного поля, испытываемого частицей, и может предоставлять информацию о ее локальном окружении очень похожим образом на другие методы магнитного резонанса [a] , такие как электронный спиновой резонанс (ESR или EPR) и, точнее, ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
Вступление
Спиновая мюонная спектроскопия - это экспериментальный метод атомных, молекулярных и конденсированных сред, в котором используются методы обнаружения ядер. По аналогии с сокращениями для ранее установленных спектроскопий ЯМР и ЭПР , мюонная спиновая спектроскопия также известна как µSR. Аббревиатура означает вращение спина мюона, релаксацию или резонанс, в зависимости от того, является ли движение спина мюона преимущественно вращением (точнее, прецессией вокруг неподвижного магнитного поля ), релаксацией в направлении равновесия или более сложной динамикой. добавлением коротких радиочастотных импульсов. µSR не требует какой - либо радиочастотной техники для выравнивания зондирующего спина.
В более общем смысле, спиновая спектроскопия мюонов включает в себя любое исследование взаимодействия магнитного момента мюона с окружающей средой при имплантации в любой вид материи. Его двумя наиболее примечательными особенностями являются его способность изучать локальную среду из-за короткого эффективного диапазона взаимодействий мюонов с веществом и характерное временное окно (10 −13 - 10 −5 с) динамических процессов в атомных, молекулярных и конденсированные среды. Ближайшей параллелью к µSR является «импульсный ЯМР», при котором наблюдается зависящая от времени поперечная ядерная поляризация или так называемый « спад свободной индукции » ядерной поляризации. Однако ключевое отличие состоит в том, что в µSR используется специально имплантированный спин (мюон), а не внутренние ядерные спины.
Хотя в качестве зонда используются частицы, µSR не является дифракционным методом. Четкое различие между методами µSR и методами, использующими нейтроны или рентгеновские лучи, заключается в том, что рассеяние не участвует. Например, методы нейтронной дифракции используют изменение энергии и / или импульса рассеянного нейтрона для определения свойств образца. Напротив, имплантированные мюоны не дифрагируют, а остаются в образце до тех пор, пока не распадутся. Только тщательный анализ продукта распада (т.е. позитрона ) дает информацию о взаимодействии между имплантированным мюоном и его окружением в образце.
Как и многие другие ядерные методы, µSR опирается на открытия и разработки, сделанные в области физики элементарных частиц. После открытия мюона Сетом Неддермейером и Карлом Д. Андерсоном в 1936 году пионерские эксперименты по изучению его свойств были выполнены с космическими лучами . Действительно, когда один мюон попадает на каждый квадратный сантиметр земной поверхности каждую минуту, мюоны составляют главную составляющую космических лучей, приходящих на уровень земли. Однако для экспериментов с µSR требуются потоки мюонов порядкамюонов в секунду и квадратный сантиметр. Такие потоки можно получить только в ускорителях частиц высоких энергий, которые были разработаны в течение последних 50 лет.
Производство мюонов
При столкновении пучка ускоренных протонов (типичная энергия 600 МэВ) с ядрами производственной мишени образуются положительные пионы () через возможные реакции:
Из последующего слабого распада пионов (СРЕДНЕЕ время жизни = 26.03 нс) положительные мюоны () образуются в результате распада двух тел :
Нарушение четности в слабых взаимодействиях означает, что существуют только левые нейтрино со спином, антипараллельным их линейному импульсу (аналогично в природе встречаются только правые антинейтрино). Поскольку пион бесспиновый, нейтрино ивыбрасываются со спином, антипараллельным их импульсу в системе покоя пиона. Это ключ к получению спин-поляризованных мюонных пучков. По величине импульса пиона разные типы-пучки доступны для измерений µSR.
Энергетические классы мюонных пучков
Пучки мюонов подразделяются на три типа в зависимости от энергии производимых мюонов: высокоэнергетические, поверхностные или «аризонские» и сверхмедленные мюонные пучки.
Пучки мюонов высоких энергий формируются пионами, покидающими мишень при высоких энергиях. Они собираются под определенным телесным углом квадрупольными магнитами и направляются на участок распада, состоящий из длинного сверхпроводящего соленоида с полем в несколько тесла. Если импульс пиона не слишком велик, большая часть пионов распадется до того, как достигнет конца соленоида. В лабораторных условиях поляризация пучка мюонов высокой энергии ограничена примерно 80%, а его энергия составляет порядка 40-50 МэВ. Хотя такой высокоэнергетический пучок требует использования подходящих замедлителей и образцов достаточной толщины, он гарантирует однородную имплантацию мюонов в объеме образца. Такие лучи также используются для исследования образцов внутри приемников, например образцов внутри ячеек давления. Такие мюонные пучки доступны в PSI , TRIUMF , J-PARC и RIKEN-RAL .
Второй тип мюонного пучка часто называют поверхностным или аризонским пучком (вспоминая новаторскую работу Пайфера и др. [1] [2] из Университета Аризоны ). В этих пучках мюоны возникают из-за распада пионов в состоянии покоя внутри, но вблизи поверхности производственной мишени. Такие мюоны на 100% поляризованы, в идеале монохроматичны и имеют очень низкий импульс 29,8 МэВ / c (соответствует кинетической энергии 4,1 МэВ). Они имеют ширину диапазона порядка 180 мг / см 2 . Важнейшим преимуществом этого типа балок является возможность использования относительно тонких образцов. Пучки этого типа доступны в PSI (Швейцарский источник мюонов SµS), TRIUMF, J-PARC, ISIS Neutron and Muon Source и RIKEN-RAL.
Положительные мюонные пучки еще более низкой энергии ( сверхмедленные мюоны с энергией до диапазона эВ-кэВ) могут быть получены путем дальнейшего снижения энергии пучка Аризоны за счет использования характеристик потерь энергии твердых замедлителей с большой запрещенной зоной . Этот метод был впервые использован исследователями на циклотроне TRIUMF в Ванкувере, Британская Колумбия , Канада . Он был назван аббревиатурой μSOL (мюонный сепаратор онлайн) и первоначально использовал LiF в качестве замедляющего твердого вещества. [3] В той же статье 1986 года также сообщалось о наблюдении отрицательных ионов мюония (т. Е. Mu - или μ + e - e - ) в вакууме. В 1987 году скорость производства медленных μ + была увеличена в 100 раз с использованием тонкопленочных твердых замедлителей на основе инертных газов, что позволило получить полезный поток положительных мюонов с низкой энергией. [4] Этот метод производства впоследствии был принят PSI для их установки на пучке низкоэнергетических положительных мюонов. Диапазон перестраиваемой энергии таких мюонных пучков соответствует глубине имплантации в твердые тела от менее нанометра до нескольких сотен нанометров. Следовательно, возможно исследование магнитных свойств в зависимости от расстояния от поверхности образца. В настоящее время PSI - единственная установка, где на регулярной основе имеется такой низкоэнергетический пучок мюонов. Технические разработки также велись в RIKEN-RAL, но с сильно уменьшенной скоростью мюонов низких энергий. J-PARC проектирует разработку высокоинтенсивного мюонного пучка низкой энергии. [ когда? ]
Непрерывные и импульсные мюонные пучки
В дополнение к вышеупомянутой классификации, основанной на энергии, мюонные пучки также разделяются в соответствии с временной структурой ускорителя частиц, т.е. непрерывные или импульсные.
Для непрерывных источников мюонов нет доминирующей временной структуры. Выбирая подходящую скорость поступления мюонов, мюоны имплантируются в образец один за другим. Основное преимущество заключается в том, что временное разрешение определяется исключительно конструкцией детектора и считывающей электроникой. Однако есть два основных ограничения для этого типа источника: (i) непрореагировавшие заряженные частицы, случайно попадающие в детекторы, производят незначительные случайные фоновые подсчеты; это ставит под угрозу измерения после нескольких времен жизни мюонов, когда случайный фон превышает истинные события распада; и (ii) требование обнаруживать мюоны по одному устанавливает максимальную частоту событий. Проблема фона может быть уменьшена за счет использования электростатических дефлекторов, чтобы гарантировать, что никакие мюоны не попадут в образец до распада предыдущего мюона. PSI и TRIUMF содержат два непрерывных источника мюонов, доступных для экспериментов с µSR.
В импульсных источниках мюонов протоны, попадающие в производственную мишень, группируются в короткие, интенсивные и широко разделенные импульсы, которые обеспечивают аналогичную временную структуру во вторичном мюонном пучке. Преимущество импульсных источников мюонов состоит в том, что частота событий ограничивается только конструкцией детектора. Кроме того, детекторы активны только после входящего мюонного импульса, что сильно снижает количество случайных фоновых подсчетов. Фактическое отсутствие фона позволяет увеличить временное окно для измерений примерно в десять раз по сравнению со средним временем жизни мюона. Основным недостатком является то, что ширина мюонного импульса ограничивает временное разрешение. ISIS Neutron and Muon Source и J-PARC - это два импульсных источника мюонов, доступных для экспериментов µSR.
Спектроскопическая техника
Мюонная имплантация
Мюоны имплантируются в интересующий образец, где они очень быстро теряют энергию. К счастью, этот процесс замедления происходит таким образом, что не ставит под угрозу измерение μSR. С одной стороны , это очень быстро (гораздо быстрее , чем 100 пса), что гораздо короче время окна типичного μSR (до 20 мкс), а с другой стороны, все процессы , участвующие в процессе торможения являются кулоновским ( ионизация из атомы, рассеяние электронов , захват электронов ) по происхождению и не взаимодействует с спином мюона, так что мюон термализуются без какой - либо существенной потери поляризации.
Положительные мюоны обычно принимают интерстициальные участки с кристаллографической решетки . В большинстве металлических образцов положительный заряд мюона все вместе экранируется облаком электронов проводимости . Таким образом, в металлах мюон находится в так называемом диамагнитном состоянии и ведет себя как свободный мюон. В изоляторах или полупроводниках коллективное экранирование не может иметь место, и мюон обычно захватывает один электрон и образует так называемый мюоний (Mu = μ + + e - ), который имеет аналогичный размер ( радиус Бора ), уменьшенную массу и ионизацию. энергия к атому водорода .
Обнаружение поляризации мюонов
Распад положительного мюона на позитрон и два нейтрино происходит через процесс слабого взаимодействия после среднего времени жизни τ μ = 2,197034 (21) мкс:
Нарушение четности в слабом взаимодействии приводит в этом более сложном случае ( трехчастичный распад ) к анизотропному распределению излучения позитронов относительно направления спина μ + во время распада. Вероятность излучения позитрона определяется выражением
где - угол между траекторией позитрона и μ + -спином, а- параметр внутренней асимметрии, определяемый механизмом слабого распада. Это анизотропное излучение фактически составляет основу метода μSR.
Средняя асимметрия измеряется над статистическим ансамблем имплантированных мюонов и зависит от дополнительных экспериментальных параметров, таких как спиновая поляризация пучка. , близко к одному, как уже было сказано . Теоретически= 1/3 получается, если все испускаемые позитроны детектируются с одинаковой эффективностью, независимо от их энергии. Практически значения ≈ 0,25.
Движение спина мюона может быть измерено в масштабе времени, продиктованном распадом мюона , то есть несколько раз τ μ , примерно 10 мкс. Асимметрия в распаде мюона коррелирует направление излучения позитрона и направление спина мюона. Самый простой пример - это когда направление спина всех мюонов остается постоянным во времени после имплантации (без движения). В этом случае асимметрия проявляется в дисбалансе между счетами позитронов в двух эквивалентных детекторах, размещенных спереди и сзади образца вдоль оси пучка. Каждый из них регистрирует экспоненциально убывающую скорость как функцию времени t, прошедшего с момента имплантации, согласно
с участием для детектора, смотрящего в сторону и от стрелки вращения соответственно. Учитывая , что огромный мюонов спин поляризация полностью вне тепловое равновесие, динамическая релаксация к равновесию неполяризованного состояние обычно проявляется в скорости счета, как дополнительный фактор распада в передней части экспериментального параметра асимметрии, A . Магнитное поле, параллельное начальному направлению спина мюона, исследует скорость динамической релаксации как функцию дополнительной зеемановской энергии мюона без введения дополнительной когерентной спиновой динамики. Эта экспериментальная схема называется μSR с продольным полем (LF).
Еще один простой пример, когда имплантирован все мюоны спина прецессирует когерентно вокруг того же магнитное поле модуля, перпендикулярно оси луча, вызывая колебания дисбаланса счета с соответствующей ларморовской частотой между теми же двумя детекторами, согласно
Поскольку ларморовская частота равна , с гиромагнитным соотношением Мрад (сТ) -1 , частотный спектр, полученный с помощью этой экспериментальной установки, обеспечивает прямую меру распределения напряженности внутреннего магнитного поля. Этот метод обычно называют поперечным полем (TF) μSR.
Приложения
Вращение и релаксация спина мюонов в основном осуществляется с помощью положительных мюонов. Они хорошо подходят для изучения магнитных полей на атомном уровне внутри материи, таких как те, которые создаются различными видами магнетизма и / или сверхпроводимости, встречающимися в соединениях, встречающихся в природе или искусственно созданных современным материаловедением .
Глубина проникновения Лондона является одним из наиболее важных параметров , характеризующих сверхпроводник , поскольку его обратный квадрат обеспечивает измерение плотности п S из куперовских пар . Зависимость n s от температуры и магнитного поля прямо указывает на симметрию сверхпроводящей щели. Спиновая мюонная спектроскопия позволяет измерить глубину проникновения и поэтому используется для изучения высокотемпературных купратных сверхпроводников с момента их открытия в 1986 году.
Другие важные области применения μSR используют тот факт , что положительные мюоны захват электроны с образованием мюонии атомов , которые ведут себя химически как легкие изотопы в водороде атома. Это позволяет исследовать самый большой известный кинетический изотопный эффект в некоторых из простейших типов химических реакций, а также ранние стадии образования радикалов в органических химических веществах. Мюоний также изучается как аналог водорода в полупроводниках , где водород является одной из самых распространенных примесей.
Удобства
µSR требует ускорителя частиц для получения мюонного пучка. В настоящее время это достигается на нескольких крупных объектах в мире: непрерывный источник CMMS в TRIUMF в Ванкувере, Канада; непрерывный источник SµS в Институте Пауля Шеррера (PSI) в Виллигене, Швейцария; источник нейтронов и мюонов ISIS и импульсные источники RIKEN-RAL в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Чилтоне, Соединенное Королевство; и объект J-PARC в Токай, Япония, где новый импульсный источник строится взамен того, что находится в KEK в Цукубе, Япония. Мюонные пучки также доступны в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Россия. Международное общество µSR-спектроскопии (ISMS) существует для содействия продвижению µSR во всем мире. Членство в обществе открыто для всех лиц из академических кругов, государственных лабораторий и промышленности, которые заинтересованы в целях общества.
Смотрите также
- Мюон
- Мюоний
- Ядерный магнитный резонанс
- Возмущенная угловая корреляция
Заметки
- ^ Резонансные методы часто характеризуются использованием резонансных контуров, чего нельзя сказать о спиновой мюонной спектроскопии. Однако истинная резонансная природа всех этих методов, включая мюонную спектроскопию, заключается в очень узком, резонансном требовании к любому зависящему от времени возмущению, чтобы оно эффективно влияло на динамику зонда: для каждого возбуждения, взаимодействующего с мюоном (колебания решетки, заряд и электронные спиновые волны) только те спектральные компоненты, которые очень близко соответствуют частоте прецессии мюона в конкретных экспериментальных условиях, могут вызвать значительное движение спина мюона.
Рекомендации
- ^ Пайфер, AE; Bowen, T .; Кендалл, KR (1976). «Луч μ + с высокой задерживающей способностью». Ядерные инструменты и методы . 135 (1): 39–46. Bibcode : 1976NucIM.135 ... 39P . DOI : 10.1016 / 0029-554X (76) 90823-5 .
- ^ Боуэн, Т. (1985). «Поверхностный мюонный пучок». Phys. Сегодня . 38 (7): 22. Bibcode : 1985PhT .... 38g..22B . DOI : 10.1063 / 1.881018 .
- ^ Харшман, Д.Р .; и другие. (1986). «Наблюдение низкоэнергетического µ + -излучения с твердых поверхностей». Письма с физическим обзором . 56 (26): 2850–2853. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.56.2850 . PMID 10033111 .
- ^ Харшман, Д.Р .; Миллс, А. П., мл .; Беверидж, Дж. Л.; Кендалл, КР; Morris, GD; Сенба, М .; Уоррен, JB; Rupaal, AS; Тернер, JH (1987). «Генерация медленных положительных мюонов из твердых замедлителей редких газов». Physical Review B . 36 (16): 8850–8853 (R). DOI : 10.1103 / PhysRevB.36.8850 . PMID 9942727 .
Внешние ссылки
- введение в µSR
- Инициатива интегрированной инфраструктуры для рассеяния нейтронов и мюонной спектроскопии (NMI3)
- Совместные исследования мюонов NMI3
- Видео - Что такое мюоны и как они образуются?