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Einführung
Die Gruppe EXPON (EXperimente mit POlarisierten Neutronen) des Instituts für Kernphysik der TU Wien beschäftigt sich mit den speziellen magnetischen Eigenschaften von Neutronen sowie deren Einsatz für die festkörperphysikalische - und Grundlagenforschung. Sie ist am Atominstitut der Österreichischen Universitäten, und also dem Forschungsreaktor der Österreichischen Hochschulen angesiedelt.
Mittel, mitunter auch Gegenstand, unserer Forschung sind Neutronen. Neutronen sind elektrisch ungeladene, d.h. neutrale Teilchen - daher der Name -, welche gemeinsam mit den elektrisch positiv geladenen, etwa gleich schweren Protonen den Atomkern aufbauen. Der Atomkern wiederum bildet gemeinsam mit den leichten, negativ geladenen Elektronen der Atomhülle die Atome, also die Bausteine der uns umgebenden Welt einschließlich uns selbst. Als freie Teilchen kommen Neutronen in der Natur praktisch nicht vor, weil die Wahrscheinlichkeit, von einem anderen Atomkern eingefangen zu werden für sie sehr hoch ist. Doch auch in Abwesenheit anderer Atome beträgt die Lebenszeit von Neutronen nur eine knappe Viertelstunde, ehe sie in ein Proton, ein Elektron und ein Antielektronneutrino zerfallen (Beta-Minus-Aktivität). Sie müssen daher in Kernreaktoren oder Spallationsquellen erzeugt werden, um als Teilchenstrom ('Neutronenstrahl') der Forschung zur Verfügung zu stehen.
Für die physikalische Untersuchung von Festkörpern sind Neutronen aufgrund ihrer Eigenschaften wie geschaffen: trotz verschwindender elektrischer Nettoladung tragen sie ein magnetisches Moment (d.h. sie verhalten sich in gewissem Sinne wie kleine Magnete). Dies bedeutet, daß sie einerseits sehr gut in Materie einzudringen vermögen, da das elektrische Feld der atomaren Hüllenelektronen nicht auf sie wirkt, während sie andererseits ideale Sonden für die magnetischen Felder bzw. Feldstrukturen von Atomen und Atomkernen darstellen.
Besondere Bedeutung kommt dabei den polarisierten Neutronen zu, sie sind eine Art "Auslese" unter den Neutronen eines Strahles, und zwar in Bezug auf die Orientierung des magnetischen Moments der Neutronen (oder der des Spins, wie man auch etwas salopp sagt). Ein vereinfachendes Bild ist das untenstehende, in welchem das magnetische Moment der Neutronen als roter Pfeil angedeutet ist:
Stellt man sich die magnetischen Momente eines unpolarisierten Neutronenstrahles als in beliebige Richtungen weisend vor, so ist für einen polarisierten Neutronenstrahl eine mehr oder weniger markante Orientierung der magnetischen Momente nach einer bestimmten Raumrichtung anzunehmen. Genau dann aber verhält sich der Neutronenstrahl im Bezug auf seine magnetischen Eigenschaften so, als wäre er durch das Verhalten eines einzigen Stabmagneten beschreibbar - darin liegt die Bedeutung der polarisierten Neutronen für die physikalische Festkörper- und Grundlagenforschung.
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Die aktuellen Arbeitsgebiete der Gruppe umfassen die festkörperphysikalische Forschung, die quantenmechanische Grundlagenforschung, sowie die Erforschung und Entwicklung von Techniken, Apparaturen und Meßverfahren, die in den beiden erstgenannten Gebieten zur Anwendung kommen.
Im Bereich Festkörperphysik betreibt die EXPON am TRIGA Mk. II Reaktor des Atominstituts in Wien eine Anlage zur dreidimensionalen Neutronenpolarimetrie, an der u.a. Depolarisationsmessungen durchgeführt werden. Diese dienen dazu, Magnetfelder im Inneren ferromagnetischer Festkörper zu untersuchen.
Für Grundlagenexperimente steht in Wien ebenfalls ein Strahl zur Verfügung, an dem neben Flugzeitmessungen z.B. bereits Experimente im Zusammenhang mit topologischen Phasen stattfanden. Messungen zur Neutroneninterferometrie werden jedoch nahezu ausschließlich an dem vom Atominstitut unterhaltenen Instrument S18 am 58 MW Reaktor des Instiuts Max v.Laue - Paul Langevin (ILL) in Grenoble ausgeführt.
Die Anwendungsentwicklungen beziehen sich zum Beispiel auf Simulation und Umsetzung moderner magnetorefraktiver bzw. dynamischer Polarisationsverfahren für Neutronenstrahlen oder neuer Justierprozeduren für 3D-Neutronenpolarimeter.
Zurück zum SeitenanfangExperimente
Der schematische Aufbau einer Anlage zur dreidimensionalen Neutronenpolarimetrie wird hier gezeigt:
Die aus dem Reaktor austretenden Neutronen werden an einem Graphit-Mosaikkristall (1) monochromatisiert und an einem Superspiegel (2) polarisiert. Der folgende Spinflipper (3) erlaubt die Inversion des Neutronenspins und damit die Messung der Strahlpolarisation. Der Eingangs-Spindreher (4) dient dazu, die in z-Richtung weistende Polarisation der eintretenden Neutronen im Bedarfsfall in x- oder y-Richtung zu drehen, während der Ausgangs-Spindreher (5) die jeweilige Transversalkomponente der Polarisation in z-Richtung zu drehen hat, d.h. in die Durchlaßrichtung des folgenden Superspiegel-Analysators. Zwischen den Spindrehern liegt der Experimentierbereich (6), der durch eine Weicheisenabschirmung vor Streufeldern geschützt wird, damit eine etwaige Wechselwirkung mit den magnetischen Strukturen einer Probe ungestört stattfinden kann.
Die dreidimenstionale Neutronenpolarimetrie kann einerseits für festkörperphysikalische Untersuchungen (z.B. Neutronendepolarisation), andererseits für grundlegende polarimetrische Experimente (z.B. zur geometrischen Phase der Neutronenwellenfunktion) eingesetzt werden.
Neutronendepolarisation bedeutet die charakteristische Verringerung (deshalb 'De-polarisation') bzw. Richtungsänderung des Polarisationsvektors infolge Wechselwirkung des polarisierten Neutronenstrahls mit der Domänenstruktur eines ferromagnetischen Festkörpers, wie in der folgenden Abbildung angedeutet:
Aufgrund der endlichen Breite des Neutronenstrahles "sehen" die Neutronen eines Strahls unterschiedliche Domänensequenzen, was zu einer Verringerung der resultierenden Strahlpolarisation führt. Aus Art und Umfang der Polarisationsveränderung läßt sich modellmäßig auf charakteristische Parameter der Domänenstruktur, wie die mittlere Domänengröße oder die Domänenmagnetisierung (die Stärke der Magnetfelder innerhalb des Ferromagneten), schließen.
Für Untersuchungen zur Natur der geometrischen Phase eines Spinsystems sind Neutronen aufgrund ihrer elektrischen Neutralität ebenfalls bestens geeignet, das Wesen einer solchen geometrischen Phase ist freilich nicht ganz leicht zu veranschaulichen: aus physikalischen Gründen ist der Spin eines Elementarteilchens und das damit verbundene magnetische Moment gezwungen, sich um die Richtung eines eventuell vorhandenen äußeren Magnetfeldes zu drehen. Im Bezug auf die Magnetfeldrichtung hat dieser Spin eine bestimmte Phase (man sagt auch: dynamische Phase), vergleichbar der Zeigerstellung einer Analoguhr. Die von S. Pancharatnam und M.V. Berry beschriebene geometrische (oder topologische) Phase ist aber von grundsätzlich anderer Natur, sie wird durch eine geometrische Bewegung des Spins in seinem Parameterraum bestimmt. In einem gewissen Sinne ist das so, als würde die erwähnte Zeigeruhr eine andere Zeit anzeigen, wenn man sie einmal rundherum dreht.
Das Instrument S18 des ILL Grenoble wird von einer collaborating research group (CRG) unter der Ägide des Atominstuts (Prof. Helmut Rauch, siehe Interferometrie mit Neutronen) betrieben und stellt ein Mehrzweckinstrument aus Neutroneninterferometer und Neutronen-Kleinwinkelstreuanlage am weltstärksten Forschungsreaktor dar. Der Interferometeraufbau wird dabei auch von der EXPON benützt. Dies geschieht einerseits für Grundlagenexperimente zur Quantennatur des Neutronenspins bzw. zu Funktion und Eigenschaften des Perfektkristall-Interferometers, und andererseits für die Entwicklung neuer Meßmethoden der Festkörperphysik.
Prinzipiell ist das Silizium-Perfektkristall-Neutroneninterferometer das Analogon zum Mach-Zehnder-Interferometer der Lichtoptik (siehe folgende Abb. links), aus Gründen der Stabilität und Präzision ist es jedoch monolithisch ausgeführt, d.h. aus einem einzigen Si-Einkristallrohling herausgearbeitet (Abb. rechts). Sein Funktionsprinzip beruht darauf, einen eintreffenden Neutronenstrahl an einem Teilerkristall kohärent (also die Interferenzfähigkeit erhaltend) in zwei Teilstrahlen aufzutrennen und diese vor der nachfolgenden Wiedervereinigung am Analysator zum Zwecke der individuellen Einlußnahme über makroskopische Raumdistanzen (einige cm) auseinanderzuführen.
Diese Konstruktion, die ein (!) Teilchen über zwei unterschiedliche Wege führt, läßt naturgemäß zahlreiche Grundlagenexperimente zur Quantenmechanik (Welle-Teilchen-Dualismus, Postselektion, Quantenradierer) bzw. zur physikalischen Natur des Neutronenspinors (4-Pi-Periodizität, Spinsuperposition) zu. Allerdings wäre mit entsprechenden apparativen Möglichkeiten auch eine Erweiterung des Konzepts der Neutronendepolarisation auf eine interferometrische Methode denkbar, dies führt zum sogenannten INDOCONT-Verfahren (interferometric domain contrast tomography).
Für die Entwicklung neuer neutronoptischer Komponenten seien die Doppelbrechung an magnetischen Prismen und dynamische Polarisationsverfahren für gepulste Neutronenquellen angeführt.
Mit magnetischer Doppelbrechung ist die unterschiedliche Brechung der beiden Spinzustände eines unpolarisierten Neutronenstrahls an einem prismatisch begrenzten Magnetfeldbereich gemeint. Diese läßt sich unter expliziter Ausnutzung der Reflexionseigenschaften von Perfektkristallen (wie das Interferometer einer ist) zur Polarisation von Neutronenstrahlen verwenden: unten links ist die äußere Form solcher magnetischer Prismen gezeigt, rechts die Winkelaufspaltung (rot bzw. blau), die sie an einem zunächst unpolarisierten Neutronenstrahl (grün) hervorrufen. Die Abbildung darunter zeigt die jeweils erreichte Winkelaufspaltung bei Durchleuchtung eines trigon-prismatischen Feldbereichs unter 0...180° (die Farben codieren unterschiedlich exakte räumliche Begrenzung des Magnetfeldes).
Gerald BADUREKUniv.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn., geb. 1948 in Amstetten/NÖ, Volksschule und Gymnasium ebendort, Studium der Technischen Physik an der TH Wien. Dissertation über Flugzeitspektroskopie mit polarisierten Neutronen, Habilitation für Nukleare Festkörperphysik. Spezialgebiet ist die Physik polarisierter Neutronen.Zurück zum Seitenanfang |  |
Roman Johann BUCHELTDipl.-Ing. Dr.techn., geb. 1972 in Wien, Volksschule und Gymnasium ebendort, Studium der Technischen Physik an der TU Wien. Diplomarbeit über die Implementierung eines neuen CoFe-TiZr-Superspiegelsystems am tangentialen Strahlrohr des TRIGA Reaktors Wien, Dissertation zum Thema Spin Dynamics in Polarized Neutron Interferometry Gimmicks.Zurück zum Seitenanfang |  |
Erwin JERICHAUniv.-Ass. Dipl.-Ing. Dr.techn., geb. 1964 in Wien, Volksschule und Gymnasium ebendort, Studium der Technischen Physik an der TU Wien. Diplomarbeit über Rechnungen zu einem Zweiplattenkristallresonator für Neutronen , Dissertation zum Thema Speicherung kalter und thermischer Neutronen mit Perfektkristallen an einer gepulsten Quelle .Zurück zum Seitenanfang |  |
Aktuelle Publikationen
G. Badurek, M. Hochhold, H. Leeb, R.J. Buchelt, F. KorinekA Proposal to Visualize Magnetic Domains within Bulk Materials
Physica B 241-243 (1998) 1207-1209 (Artikel ansehen)
Y. Hasegawa and G. Badurek
Non-commuting Spinor Rotation due to Balanced Geometrical and Dynamical Phases
Physical Review A 59 (1999) 4614-4622 (Artikel ansehen)
J.P. Sinnecker, R. Sato Turtelli, R. Grössinger, G. Badurek, P. Riedler, S. Menhart
Domain Structure Dynamics of Amorphous Fe-64 Co-21 B-15 and Co-77B-23 Ribbons Studied by Three-Dimensional Neutron Depolarization
Journal of Applied Physics 85 (1999) 1043-1049 (Artikel ansehen)
R.J. Buchelt, G. Badurek, A. Schricker and Z. Hradil
Semi Step Tuning and Spin State Estimation in Neutron Polarimetry
Physica B 276-278 (2000) 108-109 (Artikel ansehen)
G. Badurek, A. Schricker and R.J. Buchelt
A Low-Temperature Neutron Polarimeter for Magnetic Texture Analysis
Physica B 276-278 (2000) 110-111 (Artikel ansehen)
G. Badurek, R.J. Buchelt and H. Leeb
Interferometric Phase Contrast Tomography
Physica B 276-278 (2000) 588-589 (Artikel ansehen)
A.G. Wagh, G. Badurek, V.K. Rakhecha, R.J. Buchelt and A. Schricker
Neutron Polarimetric Separation of Geometric and Dynamical Phases
Physics Letters A 268 (2000) 209-216 (Artikel ansehen)
G. Badurek, R.J. Buchelt, B.-G. Englert and H. Rauch
Wave-Particle Duality and Quantum Erasure in Polarized Neutron Interferometry
NIM A 440 (2000) 562-567 (Artikel ansehen)
G. Kroupa, G. Bruckner, O. Bolik, M. Zawisky, M. Hainbuchner
G. Badurek, R.J. Buchelt, A. Schricker und H. Rauch
Basic Features of the Upgraded S18 Neutron Interferometer Set-Up at ILL
NIM A 440 (2000) 604-608 (Artikel ansehen)
G. Badurek, H. Rauch, M. Suda, H. Weinfurter
Identification of Nonclassical States in Neutron Spin Precession Experiments
Optics Communications 179 (2000) 13-18 (Artikel ansehen)
Z. Hradil, J. Summhammer, G. Badurek and H. Rauch
Reconstruction of the Spin State
Physical Review A 62 (2000) 014101 (Artikel ansehen)
G. Badurek, R.J. Buchelt, G. Kroupa, M. Baron, M. Villa
Permanent Magnetic Field-Prism Polarizer for Perfect Crystal Neutron Interferometers
Physica B 283 (2000) 389-392 (Artikel ansehen)
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