Подходы к развитию метода неупругой рефлектометрии на импульсном реакторе ИБР-2 В.И. Боднарчук
advertisement
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 < 1.110-4 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
