Os pesquisadores desenvolveram óptica de nêutrons avançada, melhorando a eficiência e a precisão dos experimentos de dispersão de nêutrons. Este desenvolvimento permite uma análise melhorada de materiais a nível atómico, abrindo caminho para avanços em vários domínios científicos. Crédito: SciTechDaily.com
Espelhos de nêutrons aprimorados podem aumentar a eficiência da análise de materiais em fontes de nêutrons, como a Fonte Europeia de Espalação, que está sendo construída nos arredores de Lund, na Suécia. O espelho melhorado foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Linköping revestindo uma placa de silício com camadas extremamente finas de ferro e silício misturadas com carboneto de boro. Seu estudo foi publicado na revista Avanços da Ciência.
“Em vez de aumentar a potência da fonte de nêutrons, que é extremamente cara, é melhor focar na melhoria da óptica”, diz Fredrik Eriksson, pesquisador da Divisão de Física de Filmes Finos da Universidade de Linköping.
Juntamente com os prótons, os nêutrons formam núcleos atômicos. Dependendo do número de nêutrons em um núcleo, as propriedades do elemento podem diferir. Além disso, os nêutrons também podem ser usados para analisar diferentes materiais em um nível muito detalhado. Este método é chamado de espalhamento de nêutrons.
Essas medições são realizadas em laboratórios especiais de pesquisa de nêutrons, chamados fontes de nêutrons. Um desses laboratórios, o European Spallation Source, ou ESS, está agora a ser construído nos arredores de Lund. Trata-se de um investimento de 2 mil milhões de euros.
O ESS e outras fontes de nêutrons podem ser comparados a microscópios avançados que permitem aos cientistas investigar vários materiais e suas propriedades até o nível atômico. Eles são usados em tudo, desde o estudo de estruturas atômicas, dinâmica de materiais e magnetismo até funções de proteínas.
Óptica de nêutrons avançada
São necessárias enormes quantidades de energia para que os nêutrons sejam liberados dos núcleos atômicos. Quando os nêutrons são liberados na fonte de nêutrons, eles devem ser capturados e direcionados ao seu alvo, ou seja, o material a ser investigado. Espelhos especiais são usados para direcionar e polarizar os nêutrons. Eles são conhecidos como óptica de nêutrons.
Embora o ESS tenha a fonte de nêutrons mais poderosa do mundo, o número de nêutrons disponíveis nos experimentos será limitado. Para aumentar o número de nêutrons que atingem os instrumentos, são necessárias ópticas de polarização aprimoradas. Isto é algo que os investigadores da Universidade de Linköping conseguiram agora, melhorando a óptica de neutrões em vários pontos importantes para aumentar a eficiência.
Anton Zubayer, estudante de doutorado na Universidade de Linköping, observa o processo de pulverização catódica magnetrônica. Crédito: Olov Planthaber
“Nossos espelhos têm melhor refletância, o que aumenta o número de nêutrons que atingem seu alvo. O espelho também pode polarizar muito melhor os nêutrons no mesmo spin, o que é importante para experimentos polarizados”, diz Anton Zubayer, estudante de doutorado no Departamento de Física, Química e Biologia e principal autor do artigo publicado na Science Advances.
Ele continua:
“Além disso, como não é mais necessário um grande ímã, o espelho pode ser colocado mais próximo das amostras ou de outros equipamentos sensíveis sem afetar as próprias amostras, o que por sua vez permite novos tipos de experimentos. Além disso, também reduzimos o espalhamento difuso, o que significa que podemos reduzir o ruído de fundo nas medições.”
Inovações Tecnológicas e Perspectivas Futuras
Os espelhos são fabricados em substrato de silício. Através de um processo denominado pulverização catódica por magnetron, é possível revestir o substrato com elementos selecionados. Este processo permite revesti-lo com vários filmes finos uns sobre os outros, ou seja, um filme multicamadas. Neste caso, são utilizados filmes de ferro e silício, misturados com carboneto de boro enriquecido isotópico. Se as espessuras das camadas forem da mesma ordem de grandeza do comprimento de onda dos nêutrons, e a interface entre as camadas for muito suave, os nêutrons podem sair do espelho em fase uns com os outros, proporcionando uma alta refletividade.
Fredrik Eriksson, professor associado, e Anton Zubayer, estudante de doutorado, ambos do Departamento de Física, Química e Biologia da Universidade de Linköping. Crédito: Olov Planthaber
Fredrik Eriksson acredita que cada nêutron é precioso e cada pequena melhoria na eficiência da óptica de nêutrons é valiosa para melhorar os experimentos.
“Ao aumentar o número de nêutrons e também refletir energias de nêutrons mais altas, abrem-se oportunidades para experimentos pioneiros e descobertas inovadoras em disciplinas como física, química, biologia e medicina”, diz Fredrik Eriksson.
Fatos: A análise de nêutrons utiliza a capacidade dos nêutrons de se comportarem tanto como onda quanto como partícula. Esses nêutrons, por sua vez, podem ter dois spins diferentes. É importante principalmente para estudos magnéticos poder utilizar nêutrons polarizados, ou seja, nêutrons com apenas um spin específico.
Referência: “Óptica de nêutrons amorfa reflexiva, polarizadora e magneticamente suave com B4C enriquecido com 11B” por Anton Zubayer, Naureen Ghafoor, Kristbjörg Anna Thórarinsdóttir, Sjoerd Stendahl, Artur Glavic, Jochen Stahn, Gyula Nagy, Grzegorz Greczynski, Matthias Schwartzkopf, Arnaud Le Febvrier, Per Eklund, Jens Birch, Fridrik Magnus e Fredrik Eriksson, 14 de fevereiro de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adl0402
