Физики из МГУ создали магнитную ловушку для нейтронов

Сотрудники Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В.Ломоносова с коллегами создали магнитный волновод, способный удерживать нейтроны в разных слоях. Исследование может найти применение в создании электронных устройств, работа которых основана не на заряде частиц-переносчиков, а на их квантовом состоянии. Статья опубликована в журнале Physical Review B.

Волноводы — это достаточно широкий класс объектов, которые используются во многих сферах жизни, от телекоммуникации (оптические волноводы) до медицины (звуковой волновод, или стетоскоп). Принцип работы волновода основан на запирании волны между двумя отражающими стенками. Подобный принцип концентрации излучения в узком пространстве используется для «запирания» нейтронов.

Рецепт приготовления нейтронного волновода следующий: нужно взять два слоя, хорошо отражающих нейтроны, и поместить между ними третий — прозрачный или почти прозрачный. Эта структура похожа на колодец: с точки зрения нейтрона между двумя отражающими слоями (стенками) образуется провал, куда и попадают нейтроны. Другое название нейтронного волновода, резонатор, связано с тем, что плотность нейтронов в прозрачном слое резонансно усиливается (подобно звуку в помещении с хорошо отражающими стенками). Это резонансное усиление можно применить во многих областях, среди которых как фундаментальные исследования в области ядерной физики, так и экзотичные предложения использовать их в качестве нанореакторов.

Недавно группа исследователей предложила использовать в качестве отражающих стенок не само вещество, а его магнитное поле. Дело в том, что нейтрон так же, как и электрон, имеет свой магнитный момент, называемый спином, который позволяет ему отражаться от магнитного поля, как кванты света отражаются в оптоволокне. Более того, отражающая способность будет зависеть от направления спина нейтрона: для нейтронов со спином вверх она выше, чем для нейтронов со спином вниз. Основываясь на этом эффекте, группа исследователей создала волновод на магнитном отражении. На непроницаемую для нейтронов подложку нанесли три слоя из похожих материалов. Второй слой сверху имеет магнитный момент, что повышает его отражающую способность для нейтронов со спином вверх и понижает ее для нейтронов со спинов вниз. Таким образом, для разных нейтронов хорошо проницаемыми оказываются разные слои: нейтроны со спином вниз запираются в магнитном слое, а со спином вверх — в немагнитном.

«Мы испытали чистый детский восторг от того, что нам удалось отсортировать и запереть нейтроны с разным спином. Кроме того, мы планируем использовать данный эффект для вполне конкретных исследований в области спинтроники, включая такие ее новые направления, как оксидная и сверхпроводящая», — рассказал научный сотрудник НИИЯФ МГУ, кандидат физико-математических наук Юрий Хайдуков.

Пучки для подобного рода исследований получают на исследовательских реакторах и ускорителях. В России такой реактор есть в г. Дубна Московской области. Также в 2019 году планируется пуск нового мощного реактора ПИК в Гатчине, Ленинградская область. Пучки нейтронов для данного исследования получены на Мюнхенском исследовательском реакторе.

Исследования проводились совместно с коллегами из Института физики твердого тела имени Макса Планка, исследователями из филиала Общества Макса Планка в Центре Хайнца Майера-Лейбница, Института радиотехники и электроники имени К.А. Котельникова РАН и сотрудниками кафедры микротехнологии и нанонауки Технического университета Чалмерса.

Фото: Структура классического ядерного волновода, состоящего из отражающих слоев A, C и запертого между ними прозрачного слоя B. Отражающая способность такой структуры показана красной линией и имеет вид колодца. Источник: Юрий Хайдуков