Inelastische Streuung

Bei der inelastischen Neutronenstreuung kommt es zur Anregung oder Vernichtung eines Phonons oder Magnons. Durch Messen der kinetischen Energie des Neutrons erhält man die Energie der Anregung. Wird die Energie des einfallenden Neutrons auf die Probe übertragen und somit eine Anregung erzeugt, spricht man von einem Energieverlust. Bei einem Energiegewinn wird dagegen die Energie in der Probe auf die Neutronen übertragen und eine Anregung vernichtet. Mit Hilfe der inelastischen Streuung können dynamische Prozesse, d.h. Gitterschwingungen, Magnonen und andere magnetische Anregungen (Spinons) in Festkörpern untersucht werden.
Die untersuchten Phänomene beinhalten Diffusionssprünge von Atomen, Rotations- und Schwingungsmoden von Molekülen, Relaxationsvorgänge, Phononen, magnetische Anregungen und elektronische Übergänge. Messungen an Neutronenspektrometern liefern Informationen über die atomaren und molekularen Bewegungen in Kristallen auf einer Längenskale von wenigen Angström bis zehn Nanometer und in einem Zeitskalenbereich von zehn Pikosekunden bis fast zu einer Mikrosekunde.

Dreiachsen-Spektrometrie Prinzip der Dreiachsen-Spektrometrie.

Prinzip der Dreiachsen-Spektrometrie.

Ein Drei-Achsen-Spektrometer (TAS) ist definiert durch seine drei voneinander unabhängigen Achsen: Monchromator (1. Achse), Probe (2. Achse) und Analysator (3. Achse). Am Monochromator wird durch Diffraktion an bekannten Kristallen (Bragg‘sches Gesetz) eine Energie E_i ausgewählt, mit welcher die Neutronen auf die Probe treffen und mit ihr wechselwirken sollen. Für die Untersuchungen wird dabei die Probe in die interessierende kristallographische Richtung orientiert. Nach der Probe wird am Analysator wiederum eine Energie E_f ausgewählt, bei der die Neutronen im Detektor gezählt werden sollen; die Energiedifferenz ΔE = E_f – E_i ist der Energiegewinn oder –Verlust, den die Neutronen bei der Wechselwirkung mit der Probe erfahren.

TAS haben dabei eine exzellente Auflösung hinsichtlich Impulsraum und Energie (µeV…meV) sowie einen sehr niedrigen Untergrund, weshalb sie ideal für die Untersuchung kollektiver Anregungen, wie Phononen (Gitterschwingungen) oder Magnonen (Spinanregungen) in einkristallinen Materialien geeignet sind. Typische Themen sind z. B. Spin- und Gitterdynamiken in Supraleitern, Multiferroika, thermoelektrischen Materialien und verwandten Verbindungen, Spinwellen in magnetischen Systemen sowie niedrig-dimensionalen Magneten für Quanten-Computer.

In einem Flugzeit-Instrument wird die Energie des Neutrons durch die “Flugzeit”, die das Neutron für das Zurücklegen einer wohldefinierten Strecke benötigt, bestimmt. Wenn ein monoenergetischer Neutronenpuls auf eine Probe trifft, kann das Neutron während des Streuvorgangs Energie mit der Probe austauschen. Seine finale Energie wird anhand der Ankunftszeit an den Detektoren ermittelt.
Typische Anwendungen umfassen Bewegungen in weicher Materie (“soft matter“) oder biologischen Molekülen, atomare Diffusion in flüssigen Metalllegierungen oder Schmelzen, niederfrequente Dynamiken in ungeordneten glasartigen Materialien oder Wasserstoffbewegung in Wasserstoffspeichern.

Rücktreuspektrometer selektieren die Energie der einfallenden und gestreuten Neutronen durch Bragg-Reflexion unter einem Streuwinkel nahe 180° (Rückstreuung) und erreichen dadurch eine Energieauflösung von weniger als 1 μeV. Das ermöglicht die Untersuchung molekularer Prozesse im Nanosekundenbereich.
Typische Anwendungen umfassen Hyperfeinwechselwirkungen, Rotations-Tunneleffekt, Wasserstoff-Diffusion, Dynamiken unterkühlter Flüssigkeiten, Relaxation in Polymeren und Proteinen.

Neutronen-Spin-Echo-Spektrometer nutzen die Präzession der Neutronenspins in einem Magnetfeld als eine sehr genaue Stoppuhr. Mit dieser Technik lassen sich auch kleinste Energieübertrage zwischen Neutron und Probe messen. Wenn der polarisierte Neutronenstrahl (d.h. das magnetischen Moment der Neutronen zeigt jeweils in die gleiche Richtung) in das Magnetfeld eintritt, beginnen die Spins um die Feldrichtung zu rotieren (zu präzedieren). Nach Streuung an der Probe, gelangen die Neutronen in ein genau entgegengesetztes Magnetfeld. Im Fall einer elastischen Streuung (kein Energieübertrag) wird der ursprüngliche Polarisationszustand wiedererlangt. Im Fall einer inelastischen Streuung führen kleine Energie-Verluste oder Gewinne zu einer Abnahme der Polarisation, wodurch indirekt Informationen über dynamische Vorgänge auf einer Nanosekunden-Zeitskala gewonnen werden.
Typische Anwendungen umfassen die Bewegung von Polymerketten in Schmelzen oder in Lösung, Domänenbewegungen in Proteinen oder Fluktuationen von Tensid-Membranen in Mikroemulsionen („weiche-Materie-Systemen“) sowie dynamische Vorgänge in Spin-Gläsern (harte Materie).