WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|
ОБЪЕДИНЁННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

УДК 538.97 НИКИТЕНКО Юрий Васильевич НЕЙТРОННЫЕ СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ В СЛОИСТЫХ СИСТЕМАХ Специальность: 01.04.07 – физика конденсированного состояния,

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

Дубна 2008

Работа выполнена в Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединённого института ядерных исследований

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук А.К. Аржников доктор физико-математических наук А.А. Фраерман доктор физико-математических наук В.М. Уздин Ведущая организация Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, г. Гатчина

Защита состоится “”2009 года в часов на заседании диссертационного совета Д 720.001.06 при Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований (141980, г. Дубна Московской области).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ Автореферат разослан “” 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета А.Г. Попеко 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В последние годы происходит бурный прогресс в физике и технике создания ультратонких слоёв и многослойных структур. Появились возможности манипулирования неупорядоченными и кристаллическими слоями и организации на их основе принципиально новых наноструктур с физико-механическими свойствами, не реализуемых в кристаллах.

Новые структуры находят применение в устройствах магнитной записи и хранения информации, различного типа датчиках и электронных приборах. Они активно начинают уже использоваться в промышленности, быту и в физическом эксперименте, в частности, при спектрометрии сверхмалых передач момента и создании новой техники и принципиально новых спектрометров нейтронов.

Конструирование принципиально новых материалов и систем требует развития и принципиально новых методов измерений и анализа. Известно, что появление интенсивных источников синхротронного излучения позволило существенно развить ренгеновские методы исследований на основе использования более монохроматичного и узкоколлимированного рентгеновского излучения в широком спектральном диапазоне.

В этой связи, актуальными также стали поиск и разработка новых методов использования нейтронного излучения. Значительно менее интенсивное по сравнению с рентгеновским, но слабо поглощаемое веществом нейтронное излучение, находит применение при исследовании магнитных материалов в сравнительно толстых плёночных системах.

Нейтроны с успехом применяются при изотопическом контрастировании. Особенно широко это находит применение в исследованиях биологических объектов, в которых водород замещают дейтерием.

Нейтроны, как и рентгеновское излучение, при углах скольжения меньше критического испытывают полное отражение. Это обуславливает образование над отражающими поверхностями нейтронных стоячих волн (НСВ). НСВ могут быть использованы для определения в наноструктуре пространственного положения примесного слоя атомов небольшой концентрации.

Свойство нейтронов слабо поглощаться может быть использовано для увеличения времени взаимодействия нейтронов с исследуемым объектом и повышения, таким образом, чувствительности к измерению вероятности взаимодействия. Для этого, в наноструктуре формируется потенциальная для нейтронов яма. В потенциальной яме образуется нейтронная усиленная стоячая волна (НУСВ), в которой плотность нейтронов может быть повышена в тысячу-миллион раз. Использование НУСВ приводит к увеличению поглощения нейтронов и выхода вторичных излучений. Специфическим вторичным излучением являются нейтроны, испытавшие переход с одного первоначально заселённого спинового состояния во второе. В результате, с помощью поляризованных нейтронов становится возможным проводить высокочувствительные исследования слабомагнитных слоёв вещества атомарной толщины.

Таким образом, использование режима нейтронных стоячих волн совместно с регистрацией вторичных излучений открывает новые возможности исследований с высокой чувствительностью наноструктур, изготовленных из изотопов ядер и магнитных атомов.

Основной целью работы являлось осуществление в наноструктурах предсказанного и автором обоснованного теоретически и экспериментально явления интерференции встречно распространяющихся нейтронных волн, приводящее к формированию нейтронных стоячих и усиленных стоячих волн.

Целью работы также являлось:

обнаружение и регистрация стоячих и усиленных стоячих волн различными способами;

применение режимов стоячих волн для исследований явлений магнетизма и сверхпроводимости в наноструктурах;

исследование явления расщепления пучка нейтронов, использованного, в частности, для эффективной регистрации нейтронных стоячих волн;

применение режима стоячих волн для разработки методов спектрометрии нейтронов и формирования коллимированного и монохроматичного пучка поляризованных нейтронов.

Работа включала:

- развитие физических представлений об интерференционных процессах при прохождении нейтронов через слоистые среды - проведение нейтронных экспериментов на модельных структурах с целью подтверждения разработанных представлений - выполнение нейтронных исследований свойств магнитных и сверхпроводящих наноструктур - развитие методов нейтронной спектрометрии и формирования пучка поляризованных нейтронов Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Разработать и теоретически обосновать реализацию предсказанного явления интерференции в наноструктурах встречно распространяющихся нейтронных волн.

2. Разработать схемы нейтронных интерференционных экспериментов в скользящей геометрии с одновременной регистрацией различных вторичных излучений: испытавших переворот спина нейтронов, каналированных нейтронов, гамма-квантов, заряженных частиц.

3. Опробовать методику эксперимента в режиме стоячих нейтронных волн на контрольных сильнопоглощающих и переворачивающих спин нейтрона образцах.

4. Провести экспериментальные исследования магнитных и сверхпроводящих наноструктур с использованием нейтронных стоячих, каналирования нейтронов, эффекта расщепления пучка нейтронов, возбуждения наноструктур ультразвуком и радиационного воздействия разного типа излучением.

5. Экспериментально наблюдать и исследовать эффект расщепления пучка нейтронов при его преломлении в среде после прохождения одной границы раздела и плёнки.

Продемонстрировать возможности применения эффекта расщепления, в том числе для регистрации стоячих нейтронных волн, и выполнить экспериментальные исследования наноструктур.

6. Теоретически обосновать и экспериментально исследовать возможности резонаторной наноструктуры для использования её в качестве спин-прецессора в спин-эхо спектрометре.

7. Разработать метод измерения малых передач момента в слое наноструктуры, основанный на использовании поглощающего и спин-флиппирующего слоя.

8. Развить новую нейтрон-поляризационную технику.

Результаты, выносимые на защиту

:

1) Установлено, что при отражении поляризованных нейтронов над поверхностью магнитной слоистой наноструктуры реализуется интерференция встречно распространяющихся нейтронных волн, проявляющаяся в установлении режима стоячих волн поляризованных нейтронов.

2) Установлено, что при отражении поляризованных нейтронов от трёхслойной наноструктуры внутри структуры осуществляется интерференция встречно распространяющихся нейтронных волн, образованных в свою очередь в результате интерференции волн различной кратности отражения, проявляющаяся в установлении режима усиленных стоячих волн поляризованных нейтронов. Получено рекордное 230 кратное увеличение плотности нейтронов в наноструктуре.

3) Регистрация стоячих и усиленных стоячих волн, выполненная: а) с помощью регистрации интенсивности испытавших спиновый переход поляризованных нейтронов, с использованием и эффекта расщепления пучка нейтронов, и суперзеркального анализатора поляризации; б) с помощью регистрации заряженных частиц; в) с помощью регистрации интенсивности гамма-излучения, испускаемого ядрами гадолиния после захвата нейтронов; г) с помощью регистрации поглощённых в слое титана нейтронов; д) с помощью регистрации каналируемых нейтронов.

4) Обнаружено влияние сверхпроводимости на магнитное состояние составной наноструктуры 20[Fe(3нм)/V(3нм)]Fe(3нм)/V(38нм), помещённой в магнитное поле. Показано с использованием режима стоячих волн нейтронов, что переход слоя ванадия V(38нм) в сверхпроводящее состояние приводит к установлению полидоменного состояния и симметризации магнитного профиля относительно границы раздела. При этом отдельные слои периодической структуры 20[Fe(3нм)/V(3нм)] упорядочиваются антиферромагнитно.

5) Обнаружено с использованием режима усиленных стоячих волн нейтронов, что в бислое из ферромагнитных слоёв железа и гадолиния благодаря эффекту близости при температуре 287 К, которая на 6 К ниже точки Кюри гадолиния, устанавливается магнитнонеколлинеарное состояние. При этом, подтверждено наличие второго минимума на кривой Н(Т) фазовой диаграммы бислоя Fe( x = 3, 6, 12 нм )/Gd(3 нм), отделяющей ориентированные магнитные состояния от магнитно-неколлинеарного. Экспериментально показано, что этот минимум обусловлен влиянием границы раздела слоя железа со слоем гадолинием.

6) Установлено с использованием режима стоячих волн, что в возбуждаемой звуком резонаторной наноструктуре осуществляется режим многоквантовой передачи энергии между звуковой волной и нейтроном. Для исследований с небольшими передачами момента разработаны методы измерения сверхмалых передач 10-5-10-3 -1 волнового вектора. Первый метод основан на сдвиге пучности стоячей волны относительно поглощающего или магнитнонеколлинеарного слоя. Второй метод основан на регистрации переходов из одной моды каналирования нейтронов в другую.

7 ) Осуществлено каналирование нейтронов в структуре Cu/Ti/Cu, которое имеет место в структуре только при реализации режима усиленных стоячих волн. Для длины каналирования получено значение 3 см. Получено также, что при возбуждении резонаторных структур ультразвуком частотой 90 МГц передача момента нейтрону составляет 1.510-4 -при осутствии режима каналирования и 210-3-1 – с режимом каналирования. Показано, что эффект каналирования может быть использован для: создания монохроматического пучка нейтронов, высокочувствительных исследований границ раздела и измерений переданного нейтроном момента.

8) Установлено с использованием режима усиленных стоячих волн, что при малых дозах облучения наноструктур типа Cu/Тi ионами хрома и альфа-частицами в слое титана образуются нанополости размером меньше 10 нм.

9) Разработан и экспериментально реализован метод спин-прецессионной спектрометрии нейтронов основанный на реализации режима усиленных нейтронных стоячих волн. При этом, экспериментально показана фазовая чувствительность резонаторного спин-прецессора к перпендикулярной компоненте волнового вектора нейтрона. Испытана модель спин-эхо спектрометра на основе слоистого магнитного спин-прецессора и показана возможность его реализации для исследований неоднородностей и динамики наноструктур на импульсном источнике нейтронов.

10) Обнаружен и исследован эффект расщепления неполяризованного пучка нейтронов, использовавшийся, в частности, для регистрации режима усиленных стоячих волн нейтронов.

Показано, что при преломлении нейтронов на границе раздела двух магнитных сред неполяризованный пучок расщепляется на четыре пучка, а при преломлении на границе раздела магнитной плёнки со средой - на три пучка. Показано, что для некоторого >, крит обусловленного величиной напряжённости внешнего магнитного поля, существует запрет на реализацию перехода нейтронов из состояния “-” в состояние “+”. Показано, что в фиксированной геометрии эффект проявляется через изменение среднего значения длины волны нейтронов. В бислое Gd(50)/Fe(1000) методом расщепления пучка обнаружена небольшая концентрация доменов с магнитным моментом, направленным перпендикулярно границам раздела. Обоснованы и экспериментально реализованы способ измерения ядерного оптического потенциала путём сканирования величины внешнего магнитного поля, метод раздельного исследования границ магнитной плёнки с помощью преломления нейтронов и двойной поляризационный анализ магнитно-неколлинеарных структур.

11) Разработан веерный анализатор поляризации нейтронов, предназначенный для регистрации диффузного рассеяния нейтронов.

12) Предложен источник монохроматичных и коллимированных пучков поляризованных нейтронов, основанный на реализации режима стоячих волн и эффекта расщепления пучка нейтронов.

Научная новизна:

Представленная работа является первой, в которой проведены систематические исследования начиная от разработки физических представлений, лежащих в основе методов нейтронных стоячих волн и усиления производной фазы амплитуды отражения нейтронов в магнитных слоистых структурах, отработки экспериментальной методики, до проведения экспериментов на модельных и реальных физических объектах, ставящих целью изучение структуры и параметров ультратонких плёнок и наноструктур и разработки новых нейтронноспектрометрических методов и методов формирования пучка поляризованных нейтронов.

В работе впервые:

1. Сформированы и детектированы стоячие волны поляризованных нейтронов над поверхностью слоистой наноструктуры и усиленные стоячие волны поляризованных нейтронов в слоистой наноструктуре. При этом, детектирование осуществлено:

а) с помощью регистрации интенсивности испытавших спиновый переход поляризованных нейтронов, с использованием и эффекта расщепления пучка нейтронов, и суперзеркального анализатора поляризации;

б) с помощью регистрации заряженных частиц;

в) с помощью регистрации гамма квантов;

г) с помощью регистрации поглощения нейтронов в слое титана;

д) с помощью регистрации каналируемых нейтронов.

2. Получено рекордное 230 кратное увеличение плотности нейтронов в наноструктуре.

3. Обнаружено влияние установления сверхпроводимости на магнитное состояние отдельного слоя и периодической структуры в наноструктуре.

4. Подтверждено существование второго минимума на кривой Н(Т) фазовой диаграммы бислоя Fe(x= 3, 6, 12 нм)/Gd(3 нм), отделяющей ориентированные магнитные состояния от магнитнонеколлинеарного. Экспериментально показано, что наличие этого минимума обусловлено влиянием границы раздела слоя железа со слоем гадолинием.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.