Для них создана уникальная магнитная ловушка
В Научно-исследовательском институте ядерной физики имени Д.В. Скобельцына (НИИЯФ) МГУ им. М.В. Ломоносова создан магнитный волновод, способный в разных слоях удерживать нейтроны. Он может найти применение в электронных устройствах, работа которых основана не на заряде частиц-переносчиков, а на их квантовом состоянии.
Волноводы применяются во многих сферах жизни от телекоммуникации (оптические волноводы) до медицины (звуковой волновод или стетоскоп). Принцип работы волновода основан на запирании волны между двумя отражающими стенками. Такой же принцип концентрации излучения в узком пространстве используется и для «запирания» нейтронов.
Нужно взять два слоя, хорошо отражающих нейтроны, и поместить между ними третий — прозрачный или почти прозрачный. Эта структура похожа на колодец: с точки зрения нейтрона между двумя отражающими слоями (стенками) образуется провал, куда он и попадает. Другое название нейтронного волновода, резонатор, связано с тем, что плотность нейтронов в прозрачном слое резонансно усиливается (подобно звуку в помещении с хорошо отражающими стенками). Резонансное усиление можно применить во многих областях — как для фундаментальных исследований в области ядерной физики, так и в нанореакторах будущего.
В исследовании, о котором идёт здесь речь, в качестве отражающих стенок использовано не вещество, а его магнитное поле. Ведь нейтрон так же, как и электрон, имеет свой вращательный момент, называемый спином, который позволяет ему отражаться от магнитного поля, как кванты света отражаются в оптоволокне.
Иначе говоря, нейтроны ведут себя подобно вращающимся волчкам-гироскопам, а спин задаёт им направление. Более того, отражающая способность будет зависеть от направления спина нейтрона: для нейтронов со спином вверх она выше, чем для нейтронов со спином вниз.
На непроницаемую для нейтронов подложку нанесли три слоя из похожих материалов. Второй слой сверху имеет магнитный момент, что повышает его отражающую способность для нейтронов со спином вверх и понижает её для нейтронов со спинов вниз. Таким образом, для разных нейтронов хорошо проницаемыми оказываются разные слои: нейтроны со спином вниз запираются в магнитном слое, а со спином вверх — в немагнитном.
«Мы испытали чистый детский восторг от того, что нам удалось отсортировать и запереть нейтроны с разным спином. Мы планируем использовать этот эффект для исследований в области спинтроники, включая такие её новые направления, как оксидная и сверхпроводящая», — рассказал кандидат физико-математических наук Юрий Хайдуков, научный сотрудник НИИЯФ МГУ.
Пучки для подобного рода исследований получают на исследовательских реакторах и ускорителях. В России такой реактор есть в городе Дубна Московской области. А в 2019 году планируется пуск нового мощного реактора ПИК в Гатчине, Ленинградская область. Для этого исследования пучки нейтронов были получены на Мюнхенском исследовательском реакторе.
Исследования проводились совместно с Институтом физики твёрдого тела имени Макса Планка, филиалом Общества Макса Планка в Центре Хайнца Майера-Лейбница, Институтом радиотехники и электроники имени К.А. Котельникова РАН и кафедрой Микротехнологии и нанонауки Технического университета Чалмерса. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review B.
