Neutronenbeugungsgitter basierend auf Nanodiamant

Die Neutronenoptik und die Streu- und Spektroskopiemethoden in die diese sich entwickelt hat, gehören heute zu den Standardmethoden sowohl der Grundlagen- als auch der Materialphysik. Angesichts der großen Anzahl von bereits existierenden Neutronenforschungszentren und der Investitionen, die für diese Anlagen aufgewandt werden (z.B. der laufenden Bau der Europäischen Spallationsquelle ESS in Lund, Schweden), ist eine kontinuierliche Weiterentwicklung von neutronenoptischen Methoden und Instrumenten absolut notwendig. Es besteht ein klarer Bedarf an flexiblen, kompakten und auch billigen Alternativen zu den meist aufwändig hergestellten, sperrigen und teuren optischen Komponenten, die in der Neutronenoptik heutzutage Verwendung finden. Zur Entwicklung solcher Komponenten beabsichtigen wir, Komposite aus Polymeren und Nano-Diamanten (Teilchen aus Diamant mit Durchmessern von einigen Nanometern) heranzuziehen (Nano-Komposite) und aus diesen Gitterstrukturen mit exzellenten neutronenoptischen Eigenschaften zum Gebrauch als optische Komponenten für langsame Neutronen herzustellen. Wir schreiben Nanostrukturen mit Dimensionen in der Größenordnung von einigen zehntausendstel Millimetern durch Überlappung von kohärenten Laserstrahlen in N ano -Komposite ein (Holografie). Diese Strukturen dienen dann als Gitter, an denen die Neutronen ---die ja auch als Materiewellen gesehen werden können---gebeugt (d.h. durch Interferenz abgelenkt) werden. Diese Ablenkung kann durch die variablen Eigenschaften und Justage der Gitter kontrolliert werden, ganz ähnlich wie es mit Linsen, Spiegeln und anderen lichtoptischen Komponenten in Brillen, Ferngläsern und Mikroskopen getan wird. Die bekannten physikalischen Prinzipien, auf denen state-of-the-art Instrumente der Neutronenoptik basieren, werden mit Materialien und Methoden aus der Nanotechnologie höchst effizient nachvollzogen und teilweise wesentlich verbessert. Unsere Experimente werden die Anwendbarkeit solcher Nano-Diamant Gitterstrukturen als Zusatzmodule für bereits existierende Neutronenstreuinstrumente oder für die Entwicklung gänzlich neuer neutronenoptischer Methoden demonstrieren.

Die Neutronenoptik sowie die daraus hervorgegangenen Methoden der Neutronenstreuung und -spektroskopie sind zentrale Techniken sowohl für die Grundlagenphysik als auch für die Untersuchung von kondensierter Materie und Materialeigenschaften. Angesichts der Anzahl bestehender Neutronenforschungszentren und des Aufwands, der allein in Europa in entsprechende Einrichtungen investiert wird (zum Beispiel der Bau der Europäischen Spallationsquelle ESS in Lund, Schweden), ist die Weiterentwicklung neutronenoptischer Techniken zusätzlich zu den etablierten Methoden notwendig. Es besteht ein klarer Mangel an vielseitigen, kompakten und kostengünstigen Alternativen zu den heutzutage meist sperrigen und teuren neutronenoptischen Komponenten. Um die Entwicklung solcher Alternativen anzuregen, haben wir Gitterstrukturen eingeführt, die aus Verbundmaterialien bestehen, die Polymere und Nanodiamanten (Partikel aus Diamant mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern) enthalten und optimierte neutronenoptische Eigenschaften als effiziente optische Elemente für langsame Neutronen aufweisen. Insbesondere haben wir relativ große (mehrere cm) Nanostrukturen mit Strukturgrößen von nur einem Zehntausendstel Millimeter durch Überlagerung kohärenter Laserstrahlen (Holografie) erzeugt. Diese Strukturen dienen als Gitter, durch die Neutronen (die ebenfalls als Wellen betrachtet werden können) gebeugt werden - also durch Interferenz umgelenkt werden. Die Umlenkung kann durch die speziellen Eigenschaften und die Einstellung der Gitter gesteuert werden, ähnlich wie es bei Gläsern, Teleskopen und Mikroskopen mit Linsen, Spiegeln und anderen aus der Lichtoptik bekannten Komponenten geschieht. Machbarkeitsstudien haben die Anwendbarkeit solcher Gitterstrukturen zum Bau eines neuen Interferometers für Neutronen mit langen Wellenlängen demonstriert, dessen Tests derzeit im Gange sind.