Алексеев Нейтронные методы в физике конденсированного состояния 2012
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
П.А. Алексеев, А.П. Менушенков
НЕЙТРОННЫЕ МЕТОДЫ В ФИЗИКЕ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
Москва 2012
УДК 538.97 ББК 22.3 М 50
Алексеев П.А., Менушенков А.П. Нейтронные методы в физике конденсированного состояния. Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 164 с.
Целью настоящего учебного пособия является систематизация накопленных за годы развития нейтронных методов исследований знаний и восполнение пробелов учебной литературы по современным проблемам применения нейтронов для исследования вещества.
В пособии подробно рассматриваются современные возможности использования нейтронографии для решения задач физики конденсированного состояния вещества. Акцент сделан на нейтронную спектроскопию, как один из наиболее эффективных методов исследования квазичастичных возбуждений (магнонов, фононов), одноузельных и кооперативных возбуждений в системах с сильными электронными корреляциями. Приведены основные сведения об особенностях и характеристиках взаимодействия тепловых нейтронов с твердым телом, устройстве и возможностях источников нейтронов для твердотельных исследований и их приборном парке, а также об основных направлениях исследований методами нейтронной спектроскопии. Предлагаемое учебное пособие основано на курсе лекций, читаемом в НИЯУ МИФИ для студентов факультета экспериментальной и теоретической физики и высшего физического колледжа.
Рекомендуется студентам старших курсов и аспирантам высших учебных заведений, научных центров и академических институтов, специализирующимся в области физики конденсированного состояния вещества.
Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ
Рецензент д-р физ.-мат. наук П.П. Паршин.
ISBN 978-5-7262-1666-9 |
© Национальный исследовательский |
|
ядерный университет «МИФИ», 2012 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение ............................................................................................... |
6 |
1. Нейтроны и физика конденсированного состояния: |
|
общие представления............................................................................ |
|
1.1. Эксперимент и теория в физике |
|
конденсированного состояния......................................... |
8 |
1.2.История открытия нейтрона и его применения
|
в физике конденсированного состояния......................... |
8 |
1.3. |
Основные понятия физики |
|
|
конденсированного состояния....................................... |
11 |
2. Кристаллическая структура твердых тел ................................ |
13 |
|
2.1. |
Типы кристаллических структур................................... |
13 |
2.2. Прямая и обратная решетки. Зона Бриллюэна............. |
18 |
|
Вопросы и задания.................................................................... |
20 |
|
3. Квазичастицы в физике твердого тела ..................................... |
21 |
|
3.1. Квазичастицы и элементарные возбуждения............... |
21 |
|
3.2. |
Методы исследования квазичастиц............................... |
25 |
Вопросы и задания.................................................................... |
27 |
|
4. Взаимодействие нейтронов с веществом .................................. |
28 |
|
4.1. Методы получения нейтронных пучков....................... |
28 |
|
4.2. |
Основные свойства нейтрона......................................... |
29 |
4.3. |
Особенности взаимодействия |
|
|
нейтронов с веществом................................................... |
30 |
Вопросы и задания.................................................................... |
37 |
|
5. Физические задачи, решаемые |
|
|
при помощи рассеяния нейтронов................................................. |
38 |
|
5.1. Структура твердых тел и жидкостей............................. |
38 |
|
5.2. |
Динамика твердых тел и жидкостей ............................. |
40 |
5.3.Пример исследования динамических свойств
|
при помощи нейтронов – динамика |
|
|
квантовой жидкости (сверхтекучий гелий) .................. |
43 |
5.4. Магнитные явления в конденсированных средах........ |
44 |
|
Вопросы и задания.................................................................... |
47 |
|
6. Общие основы нейтронной методики ....................................... |
48 |
|
6.1. |
Источники нейтронов..................................................... |
48 |
6.2. |
Формирование нейтронных пучков .............................. |
52 |
6.3. |
Детектирование нейтронов............................................ |
55 |
Вопросы и задания.................................................................... |
57 |
|
|
3 |
|
7. |
Структурная и магнитная нейтронная дифрактометрия ..... |
58 |
|
|
7.1. |
Основные физические принципы |
|
|
|
нейтронной дифрактометрии......................................... |
58 |
|
7.2. |
Магнитная дифракция нейтронов.................................. |
64 |
|
7.3. |
Дифрактометры нейтронные ......................................... |
66 |
|
Вопросы и задания.................................................................... |
68 |
|
8. |
Нейтронная спектроскопия: основные типы приборов ........ |
69 |
|
8.1.Современные нейтронные центры –
приборный парк .............................................................. |
69 |
8.2.Основные принципы нейтронной спектроскопии
и основы техники............................................................ |
73 |
Вопросы и задания.................................................................... |
82 |
9. Трехосный кристаллический спектрометр: |
|
универсальный инструмент исследования спектров |
|
элементарных возбуждений кристаллов....................................... |
83 |
9.1. Принципы работы........................................................... |
83 |
9.2.Пути совершенствования трехосных спектрометров.. 89
Вопросы и задания.................................................................... |
92 |
10. Нейтронная спектроскопия |
|
с высоким энергетическим разрешением..................................... |
93 |
10.1. Спектрометры обратного рассеяния............................. |
93 |
10.2. Спин-эхо спектрометры ................................................ |
.96 |
Вопросы и задания.................................................................. |
100 |
11. Определение функции плотности |
|
фононных состояний в веществе.................................................. |
101 |
11.1. Плотность фононных состояний, |
|
модели и эксперимент .................................................. |
101 |
11.2. Использование нейтронной спектроскопии |
|
для исследования плотности фононных состояний... |
104 |
11.3. Изотопический контраст.............................................. |
108 |
Вопросы и задания........................................................ |
110 |
12. Исследование дисперсионных кривых фононов |
|
в кристаллах..................................................................................... |
111 |
12.1. Представления и простейшие модели |
|
динамики кристаллической решетки......................... |
111 |
12.2. Метод псевдопотенциала............................................. |
115 |
12.3. Измерение дисперсионных кривых фононов............. |
115 |
Вопросы и задания.................................................................. |
119 |
4
13. Спектроскопия магнитных возбуждений |
|
в магнитоупорядоченных и парамагнитных средах ................ |
120 |
13.1. Магнитный форм фактор.............................................. |
120 |
13.2. Возбуждения в магнитоупорядоченных средах......... |
125 |
13.3. Физические задачи, решаемые |
|
с помощью поляризованных нейтронов..................... |
128 |
Вопросы и задания.................................................................. |
131 |
14.Ядерная и магнитная составляющие
внейтронных спектрах. Эффекты кристаллического
электрического поля в металлических системах...................... |
132 |
14.1. Разделение ядерного и магнитного вклада |
|
в спектры рассеяния нейтронов................................... |
132 |
14.2. Нейтронная спектроскопия и физика, |
|
связанная с эффектами кристаллического |
|
электрического поля..................................................... |
137 |
14.3. Исследование кристаллического |
|
электрического поля при помощи |
|
нейтронного рассеяния................................................. |
140 |
Вопросы и задания.................................................................. |
144 |
15. Нейтронная спектроскопия систем |
|
с сильными электронными корреляциями................................ |
145 |
15.1.Системы с сильными электронными корреляциями. 145
15.2.Нейтронные исследования систем
с сильными электронными корреляциями.................. |
148 |
Вопросы и задания.................................................................. |
153 |
16. Основные направления развития современных |
|
нейтронных методов исследования вещества............................ |
154 |
16.1. Совершенствование источников нейтронов............... |
154 |
16.2. Перспективная экспериментальная база..................... |
157 |
16.3. Комплементарность с другими |
|
физическими методами................................................ |
158 |
Вопросы и задания.................................................................. |
160 |
Список литературы......................................................................... |
161 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в физике конденсированных сред, как и в прочих разделах физики, возможен только при разумном сочетании эксперимента и теории. Твердые тела обладают широким спектром свойств – механических, магнитных, транспортных, термодинамических, оптических, статических, динамических и т.д., соответственно, для их полного описания необходимо применять сложные теории и множество экспериментальных методов.
Относительно «стандартные» эксперименты – измерение плотности, теплоемкости, электросопротивления, намагниченности материала, будучи сделаны по отдельности дают только фрагментарные знания. Для полноценного анализа свойств материала необходимо сочетать результаты простых методик с данными, получаемыми в результате осуществления сложных и, зачастую, дорогостоящих экспериментов. Эксперименты с использованием ядерно-физических методов (нейтроны, мюоны, синхротронное излучение) доступны далеко не в каждом исследовательском центре, но их влияние на развитие физики конденсированных сред, а также химии, биологии, наук о Земле сложно переоценить.
Простые методики позволяют оценить модельные представления на уровне интегральных характеристик. В то же время сложные методики (нейтронное рассеяние, например, дает информацию в трехмерном обратном пространстве, в зависимости от энергии, поляризации и т.п.) позволяют дойти до микроскопического уровня описания взаимодействий в веществе и соответствуют самым детальным представлениям теории. С этой точки зрения рассеяние нейтронов является весьма мощным экспериментальным методом. При его помощи удается исследовать структуру и динамику материалов, делать выбор между конкурирующими теориями, описывающими физические свойства вещества. Именно нейтронное рассеяние позволило понять природу необычных свойств достаточно сложных объектов и описать механизмы важных явлений в материалах, например, структурные и магнитные фазовые переходы.
Краеугольным камнем современной физики твердого тела является концепция квазичастиц – одна из самых плодотворных идей физики XX века. Поведение и свойства конденсированной материи описываются при помощи квазичастичных состояний – электронов, фононов (колебаний решетки), магнонов, экситонов, спинонов, ротонов и т.д., и спектров их возбуждений.
6
Суть концепции квазичастиц можно кратко охарактеризовать следующим образом;
-“вакуум” в конденсированной среде – это основное состояние системы при нулевой температуре;
-квазичастицы – это элементарные возбуждения, переносящие энергию и квазиимпульс;
-любой уровень энергии системы определяется как сумма энергий квазичастиц;
-элементарные возбуждения охватывают многие структурные единицы (кооперативные движения);
-квазичастицы слабо взаимодействуют друг с другом, являются квазистационарными (слабо затухают);
-статистика квазичастиц не обязательно совпадает со статистикой структурных элементов.
Нейтронная спектроскопия идеально подходит для изучения многих типов возбуждений, введенных теоретиками как виртуальные объекты (квазичастицы), т. е. объекты неразрывно связанные со средой их существования. На эксперименте измеряются характеристики этих виртуальных объектов, неразрывно связанные с формированием реальных свойств материалов.
Целью настоящего учебного пособия является обеспечение возможности систематизированного ознакомления с накопленными за годы развития нейтронных методов изучения конденсированных сред знаниями и сведениями. Речь идет об актуальной информации
вобласти методических приемов при проведении исследований, и особенностей экспериментального оборудования, прежде всего для нужд нейтронной спектроскопии, а также о восполнении пробелов учебной литературы по отмеченным выше современным проблемам применения нейтронов для исследования вещества.
Авторы подробно рассматривают физические аспекты взаимодействия тепловых нейтронов с конденсированными средами, описывают современные методики и аппаратуру для нейтронных исследований, принципы и устройство экспериментальных установок и наиболее важные результаты, полученные при исследовании различных материалов, включая сложные соединения и наносистемы. Предлагаемое учебное пособие основано на курсе лекций, читаемом в НИЯУ МИФИ для студентов факультета ЭТФ.
7
1. НЕЙТРОНЫ И ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ: ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
1.1. Эксперимент и теория в физике конденсированного состояния
Нейтронное рассеяние – довольно дорогая экспериментальная методика. Эксперимент может продолжаться 1-2 недели и стоить десятки тысяч евро (стоимость пучкового времени доминирует). Дорогими бывают образцы, значительные суммы тратятся на оборудование для создания заданных условий на образце по температуре, давлению, магнитному полю. Тем самым ответственность экспериментатора велика, требуется его высокая квалификация, хорошо продуманное планирование и максимальная оптимизация эксперимента, как правило, основанная на предварительных теоретических оценках.
Стоимость оборудования исследовательского центра с высокопоточным нейтронным источником и несколькими десятками установок высокого класса составляет более 1.5 млрд. евро. Только крупнейшие страны или объединения нескольких развитых стран могут позволить себе создание и эксплуатацию современных конкурентоспособных в перспективе центров нейтронного рассеяния. Такие центры существуют и создаются в США, Великобритании, Франции, Германии, Японии, Австралии, Китае, Индии. В Швеции начато создание европейского центра на основе широкой коллаборации стран ЕС. В России есть несколько сложившихся нейтронных центров открытых для пользователей (рис. 1.1).
1.2. История открытия нейтрона и его применения в физике конденсированного состояния
Человеком, открывшим нейтрон, является Джеймс Чедвик, он получил за это важное открытие Нобелевскую премию в 1935 г. История открытия нейтрона весьма показательна и не сводится к эксперименту Чедвика, а представляет собой цепочку событий. В 1930 г. Вальтер Боте и Ганс Беккер обнаружили проникающее излучение, возникающее при бомбардировке бериллия альфа-частицами. С этим излучением работали Ирен Кюри и Фредерик Жолио.
8
Рис. 1.1. Российские нейтронные центры
Но только Чедвик доказал в 1932 г., что «бериллиевые лучи» являются потоком нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона. Соответствующая ядерная реакция выглядит так:
4He2+9Be4 → 12C6+n (E=5.5 МэВ) . (1.1)
В эксперименте Чедвика, схема которого приведена на рис. 1.2, нейтроны выбивали протоны из парафиновой мишени.
Рис. 1.2. Схема эксперимента по обнаружению нейтрона
Свободный нейтрон «живет» не слишком долго – чуть меньше 15 мин и распадается на протон, электрон и антинейтрино. Это вре-
9
мя очень мало по сравнению с оценкой времени жизни, например, протона (~1030лет), но вполне достаточно, чтобы быть использованным для исследований по физике твердого тела. Обычно характерное время участия отдельного нейтрона в эксперименте не превышает нескольких десятков миллисекунд, т.е. ~ 10-5 от времени жизни.
Значительный вклад в развитие методики нейтронного рассеяния внесли Клиффорд Шалл и Бертрам Брокхауз. Первый продемонстрировал явление дифракции нейтронов как ядерной, так и магнитной, получил микроскопическую, т.е. пространственную трехмерную картину упорядочения магнитных моментов на атомном масштабе в антиферромагнетике MnO. До экспериментов Шалла в 1940-х годах антиферромагнетизм был лишь гипотезой, – моделью без прямого экспериментального обоснования.
Брокхауз в середине XX в. создал первый трехосный нейтронный спектрометр, при помощи которого исследовал динамику твердых тел, т.е. структуру и характеристики спектра их элементарных возбуждений, связанных с тепловыми колебаниям атомов.
К. Шалл и Б. Брокхауз в 1994 г. были удостоены Нобелевской премии по физике за «Пионерский вклад в развитие методики нейтронного рассеяния в физике конденсированных сред».
Интенсивные пучки нейтронов стали доступны в 50-х годах XX века, а реально эффективными методами исследования конденсированного состояния вещества нейтронная дифракция и спектроскопия стали на рубеже 70-х годов ХХ века, с появлением высокоинтенсивных источников нейтронов и развитием техники нейтронного эксперимента.
Пионерами нейтронного рассеяния в нашей стране были ученые из Курчатовского института (который ранее назывался, последовательно: Лаборатория №2, ЛИПАН, ИАЭ, Российский научный центр «Курчатовский институт»), начавшие развивать технику времени пролета на первом промышленном реакторе для ядернофизических нужд. Помимо исследований в интересах ядерной физики, они начали в 50-х годах XX века изучать металлы и замедлители нейтронов (воду, графит), другие конденсированные среды, используя выведенные из области рождения нейтронов нейтронные пучки на первом исследовательском реакторе ИРТ в Институте
10