Нейтроны покажут структуру кристалла, с которым не справляется рентген

Azay/Flickr

Японские ученые исследовали структуру допированного европием фторида кальция с рекордной точностью при помощи новой методики структурного анализа материалов. Предложенный способ основан на многоволновой нейтронной голографии и особенно эффективен для соединений легких элементов. Статья с результатами опубликована в журнале Science Advances.

Изучение структуры вещества — это отдельное направление в науке. В этой области разработано несколько различных методов. Рентгеноструктурный анализ основан на рассеянии высокоэнергетических фотонов на электронных оболочках атомов и изучении получающихся дифракционных картин. Этот метод за почти вековую историю доказал свою эффективность, но он чувствителен к количеству электронов у атомов, поэтому плохо работает для легких элементов. Рассеяние нейтронов, нейтронография, во многих случаях позволяет дополнить рентгеновское излучение, но пучки нейтронов сложнее получать, и их интенсивность не велика, что ограничивает гибкость применения.

«Мы знали, что с помощью нейтронной голографии должно быть возможно узнать больше о структуре допированного европием кристалла фторида кальция, — говорит ведущий автор Коуити Хаяши. — Ионы европия вносят дополнительный положительный заряд, и нейтронная голография показала, как атомы фтора выстраиваются в решетке для компенсации этого избытка».

Нейтронные голограммы локальной структуры фторида кальция вокруг европия. А — объемная голограмма, В — 2D-голограмма.

Kouichi Hayashi

Новый метод заключается в том, что образец «обстреливают» нейтронами с контролируемой скоростью. Как и у всего в квантовом мире, у нейтронов есть как корпускулярные, так и волновые свойства, причем нейтронам разных энергий соответствуют разные длины волн. Взаимодействие нейтронов с атомами образца вызывает гамма-излучение. Комбинируя информацию об исходящих гамма-лучах, полученных при различных скоростях нейтронов, можно восстановить трехмерную локальную структуру кристалла.