一. 研究型中子源简介

中子散射是研究物质微观结构和动力学特性的重要方法之一,该方法在凝聚态物理和材料科学研究领域能够发挥巨大的作用。由于中子本身具有电中性、磁性和低动能等特点,因此它在与物质发生相互作用的时候能够表现出与X射线、电子或者离子等其它微探针不同的行为。中子的这些特有內禀性质也使中子散射成为研究无机物和生物体等凝聚态物质的晶体结构、动力学特性和磁性的不可替代的方法。

 

二.弹性中子核散射方法

前文介绍了中子是如何产生的以及中子源的基本构造,接下来我们讨论如何利用中子和中子的特性来展开针对凝聚态物质的原子结构和动力学的科学研究。我们将首先对中子散射方法的基本原理做一个简单的介绍,即利用中子的穿透性、敏感性和磁性等特殊性质,使其成为凝聚态物理研究领域强有力的微探针,揭示凝聚态物质中原子在哪里、原子如何运动以及磁矩如何排列等诸多关键问题。

 

三. 弹性中子散射方法

我们在前文中讨论了原子核对中子的散射过程,即中子核散射。而除了核散射之外,构成样品物质的原子中如果存在未配对电子的话,其产生的磁场也会对中子产生散射作用,即中子磁散射。中子磁散射的过程是由中子的磁偶极矩与未配对电子的磁场之间的偶极矩-偶极矩相互作用引起的。中子磁散射能够帮助我们在原子尺度上实现对磁性材料磁学特性的分析和认知。其中,弹性中子磁散射方法能够直接用于确定磁性相关材料的微观磁结构、磁基态和磁性形成机理,而非弹性中子磁散射方法可以用于研究磁性材料中的各种与能量相关的磁激发,包括自旋波激发和晶场激发等。下面我们先就弹性中子磁散射方法展开讨论。

 

四. 非弹性中子散射之自旋波激发

凝聚态物质是由大量粒子组成,并且粒子间存在很强相互作用的系统。物质的静态结构由系统的基态决定,而物质的动力学性质与其激发态相关联。凝聚态物质的动力学特性通常表现为集体激发现象,并且与其热学性能和磁性能等物理性质直接相关,是深入理解结构相变和磁相变以及温度依赖现象的重要基础。物质的动力学特性可以通过对系统元激发的实验研究直接得到。非弹性中子散射方法是研究凝聚态物质中元激发,包括声子激发、自旋波激发和晶场激发等的重要实验方法。

 

 

五. 非弹性中子散射之晶场激发

晶体中过渡金属或稀土磁性离子上的电子会受到周围配位离子的静电场作用力,导致简并的电子轨道能级发生劈裂并形成具有不同能量的单态或多重态。对于稀土元素来说,其4f电子密度主要集中在原子内层,因此外层电子能够起到屏蔽晶场的作用,这也使得晶场作用于4f电子的能量要远小于其自旋轨道耦合能。稀土离子的晶场能量一般在一百毫电子伏特以内,而这一能量范围恰好和非弹性中子散射方法的能量探测范围匹配,因此非弹性中子散射方法是表征稀土材料中不连续晶场劈裂能级和晶场激发的重要独特方法。

 

六. 高分辨中子谱仪应用和项目介绍

2019年12月广东省深圳市发展和改革委员会批复并支持北京大学深圳研究生院依托中国散裂中子源建设具备国际先进、超高分辨能力的高分辨中子粉末衍射谱仪。目前,北京大学深圳研究生院和中国散裂中子源组成联合建设团队, 围绕高分辨中子粉末衍射谱仪建设项目展开联合设计和攻关,中国散裂中子源承担这台谱仪的建造工作。该高分辨中子粉末衍射谱仪可对新材料、新能源和新医药等前沿研究领域的材料体系进行快速精确的结构分析,推动我国关键新材料研发的跨越式发展。