Подходы к развитию метода неупругой рефлектометрии на импульсном реакторе ИБР-2 В.И. Боднарчук

реклама
Подходы к развитию метода неупругой
рефлектометрии на импульсном реакторе ИБР-2
В.И. Боднарчук
ЛНФ им. И.М. Франка ОИЯИ
ФПН - 2013, Гатчина
Виды поверхностных возбуждений
Актуальные вопросы динамики
поверхности:
• Фононы, магноны на поверхности и в
тонких пленках
• Явления перемагничивания в
осциллирующих магнитных полях
• Движение доменных стенок
• Динамика полимеров (рептация)
• Поверхностные электронные возбуждения (плазмоны,
• экситоны и т.д
ФПН - 2013, Гатчина
Поиск поверхностных фононов методом
нейтронной рефлектометрии
При k0 < kc в.ф. нейтрона в среде
Ψ( x, y, z)  A(z)  e



4 10 2
ik ||
x 2  y2
где A(z) – действительная величина,
экспоненциально затухающая в
глубину



[ ]  A
E
 0.09 10  2  E 1/ 2
E
[ E ]  meV
Обмен энергиями между фононами
поверхности и нейтроном может
происходить за счет параллельной
компоненты импульса нейтрона
ФПН - 2013, Гатчина
Кинематика рассеяния
Поглощение фонона
Рождение фонона
ФПН - 2013, Гатчина
Поиск поверхностных фононов методом
рефлектометрии нейтронов
 = 0.25
 = 1.9
Energy transfer, meV
440
ФПН - 2013, Гатчина
1.6E+2
-30
1
3E+4
1.2E+2
2
2E+4
8.0E+1
1E+4
4.0E+1
460
480 500 520 540 560
Time channels, 32mks/ch
580
Count (measuring time 4 hours)
Count (measuring time 75 hours)
0 -10 -20
600
Вероятность неупругого рассеяния
< 1.110-4 на 1 соударение
Исследования динамики магнетиков методом
МУРН
A Polarized Neutron Study of Amorphous Fe40Ni40B20 M.de Jong (Thesis), Delft University of
Technolgy, 1996
On the studies of spin-wave dynamics in ferromagnets by polarized neutron scattering,
B.Toperverg et.al.,Physica B 183 (1993) 326
ФПН - 2013, Гатчина
Метод GISANS для поиска
поверхностных магнонов
 2
 m магнон

D 
 1
2
m
m
нейтрон
 n

Образец: FeCo/TiZr суперзеркало
ФПН - 2013, Гатчина
ФПН - 2013, Гатчина
ФПН - 2013, Гатчина
Резонансные структуры как усилители
взаимодействия
ФПН - 2013, Гатчина
Оценка сечения неупругого рассеяния
нейтронов на спиновых волнах
ферромагнитного слоя
Волновая функция падающего
нейтрона I
𝑗
𝐾𝑗𝐼𝑧 =
𝛩 𝑧𝑗min < 𝑧 < 𝑧𝑗max 𝑇𝑗𝐼 𝑒 𝑖𝐾𝑗𝐼𝑧 ∙𝑧 + 𝑅𝑗𝐼 𝑒 −𝑖𝐾𝑗𝐼𝑧 ∙𝑧
𝜓𝑗𝐼 = 𝑒 𝑖𝑲𝐼𝑥𝑦 ∙𝒓𝑥𝑦 ∙
𝜓𝐼 =
2𝑚𝑛 𝜖𝐼 − 𝑈𝑗
𝑗
ℏ2 − 𝐾𝐼𝑥𝑦 2 Нормальный волновой вектор нейтрона в слое j
ФПН - 2013, Гатчина
Гамильтониан взаимодействия
𝑒ℏ
𝑒ℏ
1
𝑒ℏ
𝑒ℏ
𝐻=
𝑺 ∙𝛻 𝑔
𝑺 ∙𝛻
+ 4𝜋
𝑺 ∙𝑔
𝑺 𝛿 𝒓
𝑚𝑒 𝑒
𝑚𝑛 𝑛
𝑟
𝑚𝑒 𝑒
𝑚𝑛 𝑛
где 𝑒 – модуль заряда электрона, 𝑚𝑒 – масса электрона, 𝑺𝑒 и 𝑺𝑛 – спины
электрона и нейтрона, 𝑔 – множитель Ланде, 𝒓 – расстояние между нейтроном и
электроном.
Энергия объемных магнонов с волновым вектором 𝒌
𝜖𝒌𝐵 = 0+2𝑆𝐽 3 − cos 𝑘𝑥 𝑎 + cos 𝑘𝑦 𝑎 + cos 𝑘𝑧 𝑎
𝐽 Обменный интеграл между ближайшими соседями
S– модуль спина атома, 𝑘𝑥 и 𝑘𝑦 - компоненты волнового вектора магнона вдоль
осей 𝑥 и 𝑦, 𝑘𝑧 = 2𝜋𝑚 𝑁𝑎 - вдоль оси z, 𝑚 принимает любое целое значение, не
большее количества слоев в пленке 𝑁, 𝑎 – параметр кубической решетки спинов.
ФПН - 2013, Гатчина
12
Волновая функция рассеянного нейтрона S с волновым вектором в вакууме 𝑲𝑆 и
энергией 𝜖𝑆 , рассеянного на спиновых волнах
𝛩 𝑧𝑗min < 𝑧 < 𝑧𝑗max 𝑒 𝑖𝐾𝑗𝑆𝑧 ∙𝑧
𝜓𝑗𝑆 = 𝑒 𝑖𝑲𝑆𝑥𝑦 ∙𝒓𝑥𝑦 ∙
𝜓𝑆 =
𝑗
𝑗
где 𝑲𝑆𝑥𝑦 - компонента волнового вектора нейтрона в плоскости 𝑥𝑦, 𝐾𝑗𝑆𝑧 =
2𝑚𝑛 𝜖𝑆 − 𝑈𝑗
ℏ2 − 𝐾𝑆𝑥𝑦 2 – вдоль оси 𝑧
Дважды дифференциальное сечение неупругого рассеяния нейтронов на
спиновых волнах
𝑑2𝜎
𝐾𝑆 𝑚𝑛
=
𝑑𝛺 𝐾𝑆 𝑑𝜖𝑆 𝐾𝐼 2𝜋ℏ2
2
2
𝑓
𝑗
ФПН - 2013, Гатчина
∗
𝜓𝑗𝑆
𝐻 𝜓𝑗𝐼 𝑑𝑉 𝑖
13
Для рассматриваемых условий
Вектор обратной решетки  = 0
Магнитный формфактор F(K)  1
Фактор Дебая-Валлера exp(-2W)  1
После интегрирования для сечения рассеяния неполяризованного пучка нейтронов
на объемных спиновых волнах получаем
𝑑2𝜎
𝑑𝛺 𝐾𝑆 𝑑𝜖𝑆
𝐾𝑆 𝑆
2
= 𝑔𝑟0
𝑁 2𝐴
𝐾𝐼 2 𝑣
2
ФПН - 2013, Гатчина
14
где 𝑟0 – классический радиус электрона, 𝑁𝑣 – количество атомов в образце, 𝐾 =
𝑲𝐼 − 𝑲𝑆 , 𝐾|| = 𝑲𝐼𝑥𝑦 − 𝑲𝑆𝑥𝑦
𝐴 = 𝑇𝑤𝐼 + 𝑅𝑤𝐼
1 𝐾2
𝐵=
2 𝐾||
𝑗
1 𝐾2
𝐵𝑗 =
𝐵 + 𝐵𝑤 + 𝐵𝑠
2 𝐾|| 0
𝑒 − 𝐾|| +𝑖 𝐾𝐼𝑧−𝐾𝑆𝑧 𝑑𝑏1
𝑒 − 𝐾|| +𝑖 𝐾𝐼𝑧 +𝐾𝑆𝑧 𝑑𝑏1
𝐵0 =
+ 𝑅𝐼
𝐾|| + 𝑖 𝐾𝐼𝑧 − 𝐾𝑆𝑧
𝐾|| + 𝑖 𝐾𝐼𝑧 + 𝐾𝑆𝑧
𝐵𝑤
2
= 2 𝐴𝐾||
𝐾
+ 𝑒 −𝐾|| 𝑑𝑤 𝑇𝑤𝐼 𝐾𝑤𝐼𝑧 − 𝐾𝑤𝑆𝑧 sin 𝐾𝑤𝐼𝑧 − 𝐾𝑤𝑆𝑧 𝑑𝑤 − 𝐾|| cos 𝐾𝑤𝐼𝑧 − 𝐾𝑤𝑆𝑧 𝑑𝑤
𝑒 − 𝐾|| −𝑖 𝐾𝑠𝐼𝑧 −𝐾𝑠𝑆𝑧 𝑑𝑏2
𝐵𝑠 = 𝑇𝑠𝐼
𝐾|| − 𝑖 𝐾𝑠𝐼𝑧 − 𝐾𝑠𝑆𝑧
ФПН - 2013, Гатчина
0 =
resonance
ℎ2
2𝐷𝑚𝑛
0
no resonance
ФПН - 2013, Гатчина
= 9 ∙ 10-3 rad
Выводы
1. Исследования динамики слоистых структур методами TOF рефлектометрии
затруднительно
2. Возможно привлечение спин-эхо техники более адекватно для исследований в этой
области
ФПН - 2013, Гатчина
Скачать