NEUTRONEN RESONANZ SPIN ECHO NRSE

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Adrian Beckenbauer
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1 NEUTRONEN RESONANZ SPIN ECHO NRSE

2 Inhaltsverzeichnis 1. Warum NRSE? 2. Flipper Spulen 3. NRSE-Instrument 4. Das Auflösungsellipsoid 5. Ablauf einer Messung 6. Anwendung NRSE: Phononen Lebensdauer 7. MIEZE-Instrument 8. Warum MIEZE?

3 Warum NRSE? Neutronen Spin Echo: Energiemessung an Spin gekoppelt und damit entkoppelt von Geschwindigkeitsvert. des einfallenden Strahls Sehr gute Energieauflösung und zugleich Untersuchung langsamer Dynamik ~ns möglich Vorteile NRSE gegen NSE: Auflösung ähnlich Solenoidfelder: aufwendig/schwer zu handhaben HF-Spulen von NRSE wesentlich geschickter Rotation des Auflösungsellipsoiden

4 π/2-flipper Spulen nichtadia_brandldip_s6.jpg

5 π/2-flipper Spulen Nichtadiabatischer Übergang: Pi2Flipper_Cywinski_S5.JPG Präzessionswinkel: φ = ω L t = γb l v Erinnerung: NSEPrinzip_Cywinski_S7.JPG

6 π/2-flipper Spulen Nichtadiabatischer Übergang: Pi2Flipper_Cywinski_S5.JPG Präzessionswinkel: φ = ω L t = γb l v Erinnerung: NSEPrinzip_Cywinski_S7.JPG

7 RF-Flipper Spulen Prinzip: Ersetze die Drehung in einem Solenoid-Arm durch Flips in zwei Spulen r RFTrafo_Reseda_S19.JPG Resonanz: ω r = ω L ; ω L = γb 0 Kein z-feld im rotierenden System

8 RF-Flipper Spulen RFFlip_BrandlDip_S16.JPG RFWinkel_Reseda_S19.JPG π = ω r Δt = γb r v φ = 2ω r t A φ 0 + ω r d d v

9 RF-Flipper Spulen t A ist Eintrittszeitpunkt φ 0 ist Spin-Richtung zu t A d ist Spulendicke π = γb r Δt ; Δt = d v φ = 2ω r t A φ 0 + ω r d v

10 NRSE-Prinzip (klassisch)

11 NRSE-Prinzip (klassisch) L NSE: φ Detect. = ω 1 L L 2 NSE und NRSE v 1 v 2 gleiche Präzessionswinkel (bis auf Faktor 2)

12 Rabi-Oszillation Semiklassische Schreibweise: Resonantes elmag. Feld induziert Übergänge

13 NRSE-Prinzip (semiklassisch) Δv = ω L ħ 2m v 0 t ± = L 1 v 0 ± v L 1 ω LħL 1 v 3 0 2mv = t 0 τ NRSE 0 2

14 Auflösungsellipsoid Energieabgabe an Probe: ΔE = ωħ Bisher: Neutronen mit gleichem ΔE hatten gleiche Phase φ am Detektor Horizontale Linien haben konstantes φ = ωτ NRSE Ellipsoid ist Auge des Instruments

15 Ablauf einer Messung ln P = ln S(q, τ NRSE ) e Γτ NRSE τ NRSE

16 Ablauf einer Messung Asymmetric Scan: Verändere B 2 L 2 N Verschiebt Ellipsoid vertikal Symmetric Scan: Verändere B 1 L 1 und B 2 L 2 synchron Verändert τ NSE τ NSE = γb 1L 1 ħ mv 0 3

17 Rotiertes Auflösungsellipsoid Drehe die Spulen um das Ellipsoid zu drehen Vorteil NRSE: Die RF-Spulen lassen sich leicht drehen

18 Rotiertes Auflösungsellipsoid

19 Anwendung NRSE: Phononen-Lebensdauer FRM II 2006: Linienverbreiterung Γ von transversal akustischen Phononen durch Elektron- Phonon WW in Strategie: Messe Γ über und unter T C = 7,2K Differenz ist El.-Phonon WW Beitrag

Anwendung NRSE: Phononen-Lebensdauer TRISP @ FRM II

Phononen durch Elektron- Phonon WW in Strategie: Messe Γ

20 Anwendung NRSE: Phononen-Lebensdauer FRM II 2006: Linienverbreiterung Γ von transversal akustischen Phononen durch Elektron- Phonon WW in Strategie: Messe Γ über und unter T C = 7,2K Differenz ist El.-Phonon WW Beitrag

21 MIEZE (Modulation of IntEnsity by Zero Effort) Zuvor: φ d = 2ω r t A φ 0 + ω r v Jetzt: Die RF-Spulen im 1. Arm haben versch. Frequenzen, aber Larmor-Bedingung ist jeweils erfüllt: ω r = ω L = γb 0 d φ A = 2ω A t A φ 0 + ω A ; φ v B = 2ω B t A + L 1 d φ v A + ω B ; v t D = t 1 + L 1+L 2 ; Δω = ω v B ω A φ B = 2t D Δω + 1 2ω v AL 1 2ΔωL 2 + Δωd Damit Winkel φ B = φ D unabhängig von v: MIEZE-Bedingung: Δω ω A = L 1 L 2 d 2 Damit: φ D = 2t D Δω also ist die Intensität I/I 0 = T = 1 2 cos φ D + 1 nach Analysator (Transmission T) zeitlich oszillierendes Signal

22 MIEZE d φ A = 2ω A t A φ 0 + ω A ; φ v B = 2ω B t A + L 1 v t D = t A + L 1+L 2 ; Δω = ω v B ω A φ B = 2t D Δω + 1 2ω v AL 1 2ΔωL 2 + Δωd Damit Winkel φ B = φ D unabhängig von v: MIEZE-Bedingung: Δω ω A = L 1 L 2 d 2 Damit: φ D = 2t D Δω also ist die Intensität I/I 0 = T = 1 2 cos φ D + 1 nach Analysator (Transmission T) zeitlich oszillierendes Signal φ A + ω B d v

23 MIEZE Zuvor: I = I 0 2 cos 2t DΔω + 1 Ähnlich wie zuvor: Δt = ωħl SD mv 0 3 ; Energieabgabe ΔΕ = ωħ Damit I = I 0 2 cos 2Δω t D + Δt MIEZE-Zeit: τ MIEZE = 2Δω L SDħ mv 0 3 Kontrast: + 1 S ω dω C = dω S ω cos ωτ MIEZE = F Re S(ω) = S(τ MIEZE ) Jetzt: I = I 0 2 C cos 2t DΔω + 1

24 MIEZE I = I 0 2 C cos 2t DΔω + 1 C = F Re S(ω) = S(τ MIEZE ) Semiklassisch:

25 Nachteile MIEZE ToF-Instrument und daher anfällig für Wegdifferenzen Deshalb dünne Proben Geometrie des Instruments muss Flugstreckendifferenzen der Strahlteile, die interferieren sollen, vermeiden

26 Vorteile MIEZE Prinzip: Strahl fertig präpariert nach 1. Arm Einfluss der Probe egal Ferromagnetische Phasen messbar Wasser statt schweres Wasser verwendbar B-Felder können nicht mehr stören Auflösung besser als kl. ToF: ns-prozesse und exzellente Energieauflösung Viel Variationen: MIEZE II, Multi-MIEZE

27 Quellen T. Keller, P. Aynajian, K. Habicht, L. Boeri, S. K. Bose, and B. Keimer1, Phys. Rev. Lett. 96, (2006) T. Keller, R. Golub and R. Gähler, "Neutron Spin Echo - A technique for high resolution neutron scattering" (2000) Mezei, F. ed. Neutron Spin Echo, Lecture Notes in Physics, Springer (1980) F. Hippert et al. (eds.), "Neutron and X-ray Spectroscopy", p , Springer (2006) M. Bleuel, "Aufbau des Neutronen-Resonanz-Spinecho-Spektrometers RESEDA am FRM- II", Diss., Technische Universität München (2003) R. Pynn, B. Farago, S. Longeville and T. Keller, "Neutron Spin Echo", Los Alamos National Laboratory G. Brandl, "First measurements of the linewidth in magnetic phases of MnSi using MIEZE", Dipl., Technische Universität München (2010)

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