ОИЯИ в коллаборации с рядом научных и образовательных центров России участвует в создании российского компактного источника нейтронов DARIA (Dedicated to Academic Research and Industrial Applications). Установку планируется разместить в Уральском федеральном университете, что даст студентам возможность практического обучения и проведения исследований. Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ работают над концепцией одной из шести экспериментальных установок, которые будут построены вокруг DARIA. Прототипом для этой установки стал спектрометр РЕМУР на реакторе ИБР-2 в ОИЯИ. Создаваемый инструмент позволит вести исследования образцов гетероструктур разработанным в ОИЯИ методом поляризованной нейтронной рефлектометрии. Еще одной задачей специалистов из ЛНФ ОИЯИ в этом проекте стала разработка замедлителей нейтронов для DARIA.

Схема компактного источника нейтронов на основе протонного ускорителя

В настоящее время нейтронографические исследования имеют в мире очень высокую актуальность. Востребованность методики в том числе обусловлена тем, что она используется при создании инновационных материалов для технологий будущего. При этом на нейтронных источниках большой интенсивности существует дефицит пользовательского времени, когда ученые могли бы провести свой эксперимент. Однако многие виды исследований можно проводить на источниках средней интенсивности, какой задумывается DARIA. DARIA разрабатывается на основе небольшого линейного ускорителя протонов на энергию 13 МэВ. В конце пробега протоны будут захватываться бериллиевой мишенью, и вместо них будут испускаться нейтроны. Устанавливаемый после мишени замедлитель задаст энергетический спектр нейтронов, а система чопперов – специальных устройств, выделяющих из последовательности сгустков или непрерывного пучка частиц один или несколько коротких сгустков, – сформирует нейтронные импульсы заданной длительности. Прототип DARIA будет установлен в Уральском федеральном университете (Екатеринбург). Часть компонентов ускорителя уже изготовлена, проводятся тестирования.

Научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ Владимир Жакетов рассказал, что уже сейчас под создающийся источник продумывается научная программа. «Идут обсуждения касательно замедлителей и экспериментальных установок: рефлектометры, дифрактометры и малоугловая установка для DARIA пока только рассчитываются. Поскольку источник средней интенсивности, нужно очень тщательно рассчитать оптическую систему установок, чтобы за счет этого выиграть в интенсивности потока нейтронов с тем, чтобы она уступала ИБР-2 всего лишь на порядок или менее», — отметил ученый.

Владимир Жакетов за работой на спектрометре РЕМУР

Конструкция DARIA дает возможность присоединить к источнику нейтронов до шести научных приборов. В качестве одного из них специалисты ЛНФ ОИЯИ предлагают времяпролетный рефлектометр поляризованных нейтронов, аналог спектрометра РЕМУР на реакторе ИБР-2. Нейтронная рефлектометрия является перспективным методом исследования атомной структуры и магнитных свойств плоских наноструктур, соответствующие установки работают на большинстве крупных источников нейтронов. Метод рефлектометрии поляризованных нейтронов заключается в отражении пучка поляризованных нейтронов от слоистой структуры. РЕМУР предназначен специально для исследования магнетизма в низкоразмерных пленках, состоящих из слоев редкоземельных или переходных металлов, и эффектов близости в структурах ферромагнетик/сверхпроводник.

Из-за того, что нейтронный поток на компактном источнике будет не таким интенсивным, как на реакторе, понадобится очень тонкая настройка прибора-аналога. По словам Владимира Жакетова, оптимизация параметров прибора для изучения магнитных свойств и особенностей комплексного магнитного упорядочения в редкоземельных элементах включает в себя определение рабочего диапазона длин волн, а также подбор частоты нейтронного импульса, которая, согласно ожиданиям ученых, будет выше, чем у рефлектометров на импульсном реакторе ИБР-2.

Одним из последних исследований на РЕМУРе было изучение гетероструктур с чередующимися слоями гелимагнетиков диспрозия и гольмия, имеющих нетривиальное магнитное упорядочение и геликоидальную (винтообразную) магнитную структуру. Интерес именно к этому сочетанию редкоземельных металлов обусловлен тем, что их использование актуально при создании устройств спинтроники и элементов квантового компьютинга. Результаты проведенных измерений предполагается использовать в будущем для определения требуемых параметров нейтронного рефлектометра на компактном источнике нейтронов DARIA.

В качестве примера научных задач, которые могут решаться с использованием нового спектрометра на DARIA, Владимир Жакетов привел цикл работ на рефлектометрах РЕМУР и SuperADAM (ILL, Франция). В рамках этой работы проводилось детальное исследование слоистой структуры Dy – Ho, состоящей из чередующихся слоев редкоземельных гелимагнетиков. «Мы активно взаимодействуем с коллегами из Института физики твердого тела РАН из Черноголовки, предлагая использовать такие гелимагнетики для спиновой инжекции в джозефсоновских контактах, — добавил Владимир Жакетов. — Также у нас есть цель использовать эти материалы для создания спиновых вентилей».

Образец слоистой структуры Dy – Ho

Ученый пояснил, что гелимагнетики чаще всего исследуются макроскопическими методами, и это не позволяет изучить их настолько полно, как при помощи метода нейтронной рефлектометрии. Последняя позволяет исследовать период геликоида с разрешением до одного нанометра и то, как он меняется в зависимости от различных внешних параметров, например, от температуры. Владимир Жакетов добавил, что в периодических структурах с чередованием слоев диспрозия и гольмия эти металлы начинают взаимовлиять друг на друга за счет эффекта близости, что требует дополнительных исследований.

«Такие наноструктуры не всегда могут быть детально изучены этим методом из-за большого разнообразия свойств и нехватки времени измерений на источниках нейтронов мирового уровня. Компактные источники нейтронов средней мощности типа DARIA, оснащенные времяпролетным нейтронным рефлектометром, могут стать решением этой проблемы», — заключил Владимир Жакетов.

В дальнейших планах исследователей – изучение структуры, где чередуются слои сверхпроводника и гелимагнетика, чтобы исследовать взаимовлияние сверхпроводимости и спирального магнетизма. Исследования вскоре продолжатся после возобновления работы реактора ИБР-2, прошедшего длительный останов для технического обслуживания.

Статья «Перспектива использования метода рефлектометрии поляризованных нейтронов для исследования гелимагнетизма в редкоземельных тонких пленках и наноструктурах на компактном источнике нейтронов DARIA» авторов Дениса Девятерикова, Евгения Kравцoва, Вячеслава Проглядо (Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН), Владимира Жакетова, Юрия Никитенко (ЛНФ ОИЯИ) и Юрия Хайдукова (Институт исследований твердого тела им. Макса Планка) вышла в журнале «Поверхность» в 2023 году.