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Neue Methode für maßgeschneiderte Neutronenstrahlen

Mit schneller Elektronik gelingt es an der TU Wien, den Spin von Neutronen präzise zu kontrollieren. Die Genauigkeit von Neutronen-Experimenten soll dadurch deutlich steigen.

Spinresonator mit 48 individuellen Resonatorelementen

© TU Wien

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Der neue Spinresonator

Spinresonator mit 48 individuellen Resonatorelementen – in diesem Gerät wird der Spin der Neutronen angepasst. (Download und Verwendung honorarfrei)

Spinresonator mit 48 individuellen Resonatorelementen – in diesem Gerät wird der Spin der Neutronen angepasst. (Download und Verwendung honorarfrei)

Gruppenfoto im weißen Schutzanzug: Bernhard Maximilian Berger, Stefan Baumgartner, Erwin Jericha und Robert Raab

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Das Team

Bernhard Maximilian Berger, Stefan Baumgartner, Erwin Jericha und Robert Raab (v.l.n.r.)

Bernhard Maximilian Berger, Stefan Baumgartner, Erwin Jericha und Robert Raab (v.l.n.r.)

Neutronen spielen für viele Experimente eine entscheidende Rolle: Man verwendet sie, um die Gesetze der Teilchenphysik zu entschlüsseln, um nach dunkler Materie zu suchen oder auch um neue Materialien zu analysieren. Oft ist es wichtig, den Spin der Neutronen genau zu kontrollieren. Das war bisher nur möglich, wenn man in Kauf nimmt, dass ein großer Teil des Neutronenstrahls verlorengeht.

Eine neue Technik der TU Wien erlaubt es aber nun, die Neutronen eines Strahls individuell passend anzusteuern, sodass man am Ende viel mehr Neutronen nutzen kann als bisher. Das erhöht die Qualität der Messungen deutlich. Die neue Methode wurde nun im Fachjournal „Nature Scientific Reports“ veröffentlicht, eingesetzt soll sie demnächst am Atominstitut der TU Wien werden, so wie auch in anderen großen internationalen Neutronenforschungszentren.

Mit Magnetfeldern den Spin verändern

„Der Spin ist der Eigendrehimpuls des Neutrons“, erklärt Prof. Hartmut Abele vom Atominstitut der TU Wien. „Wenn man den Spin misst, sind zwei unterschiedliche Ergebnisse möglich – man nennt sie Spin up und Spin down.“ Mit magnetischen Feldern, die sich zeitlich rasch verändern, kann man den Spin des Neutrons von einem Zustand in den anderen umschalten. „Dasselbe erreicht man, wenn das Feld konstant bleibt und das Neutron sich schnell bewegt“, sagt Prof. Erwin Jericha (Atominstitut, TU Wien). „Auch dann spürt das Neutron effektiv ein oszillierendes Feld.“ Dieser Effekt hängt aber von der Geschwindigkeit des Neutrons ab: Ein schnelles Neutron spürt eine höhere Frequenz als ein langsameres Neutron.

Daher konnte diese Technik bisher nur dann eingesetzt werden, wenn man die magnetischen Felder auf eine ganz bestimmte Neutronen-Geschwindigkeit abgestimmt hat. Alle Neutronen, die eine andere Geschwindigkeit hatten, wurden aussortiert. So entsteht am Ende ein Strahl von Neutronen mit genau bekannter Geschwindigkeit und genau bekanntem Spin – allerdings ist es ein recht schwacher Strahl, der nur noch aus einer recht kleinen Anzahl von Neutronen besteht.

Bessere Kontrolle durch hochpräzise Elektronik

Erwin Jericha und seinem Team gelang es nun, dieses Problem zu lösen: Eine Serie von 48 magnetischen Elementen wurde gebaut, die elektronisch gesteuert werden können. „Jedes Element kann individuell eingeschaltet werden, sobald ein Neutron eintrifft. Wir können so einen magnetischen Puls erzeugen, der von einem Element zum nächsten weitergeht, in einer Geschwindigkeit, die genau zur Geschwindigkeit des Neutrons passt. Mit dieser Pulsstruktur bekommen wir einen definierten Quantenzustand, ohne vorher andere nichtpassende Neutronen aussortieren zu müssen und erhalten so am Ende einen beliebig Spin-polarisierten Neutronenstrahl.“

Jedes einzelne Neutron, egal wie schnell es durch die Apparatur fliegt, nimmt somit ein Magnetfeld wahr, das genau richtig abgestimmt ist, um den Spin des Neutrons auf die gewünschte Weise zu kontrollieren. Möglich wurde das (nach einer Idee von Prof. Gerald Badurek, ebenfalls TU Wien) durch eine extrem schnelle elektronische Schaltung: Die magnetischen Elemente müssen sich auf einer Zeitskala von Mikrosekunden ansteuern und umschalten lassen.

Internationales Interesse

„Wenn man dadurch eine größere Zahl von Neutronen zur Verfügung hat, da man auf einen Geschwindigkeitsselektor verzichten kann, wird auch die Statistik bei den Experimenten besser, die Ergebnisse werden also deutlich präziser“, sagt Hartmut Abele. Das neue Gerät zur Manipulation des Neutronen-Spins soll an der Neutronenquelle des Atominstituts der TU Wien verwendet werden, wo derzeit eine neue Neutronenstrahl-Messstation namens PERC aufgebaut wird. Aber auch andere internationale Neutronen-Forschungseinrichtungen, etwa das ILL in Grenoble oder die ESS in Lund, werden die neue Technik einsetzen.

 

Originalpublikation

E. Jericha et al., MONOPOL - A traveling-wave magnetic neutron spin resonator for tailoring polarized neutron beams, Nature Scientific Reports 10, 5815 (2020)., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Kontakt

Prof. Erwin Jericha
Atominstitut
Technische Universität Wien
T +43-1-58801-141446
erwin.jericha@tuwien.ac.at

Prof. Hartmut Abele
Atominstitut
Technische Universität Wien
T +43-1-58801-141447
hartmut.abele@tuwien.ac.at

Aussender

Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
Resselgasse 3, 1040 Wien
florian.aigner@tuwien.ac.at