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用多层镜子实现中子干涉:一种新的物质性质探测方法

科学探索万象经验2024-01-13

中子是一种没有电荷的基本粒子,它可以从原子核中释放出来,形成一束中子束。中子束可以像光一样,通过一些光学元件,比如棱镜、透镜、反射镜等,来改变它的方向、形状和相位。如果我们把一束中子束分成两束,让它们沿着不同的路径传播,然后再让它们重合,我们就可以观察到一种叫做干涉的现象。

如果我们在两束中子波的路径上放一些物质,比如金属、气体或液体,它们会对中子波产生一些影响,比如吸收、散射或折射,这些影响会改变中子波的波长、相位和强度,从而改变干涉条纹的图案。通过测量干涉条纹的变化,我们就可以得到一些关于物质的信息,比如它的密度、结构、磁性等等。中子干涉仪就是这样一种利用中子的波粒二象性的装置,它可以把一束中子分成两条路,然后再合并起来,形成干涉条纹。

传统的中子干涉仪是用硅单晶做的,它是利用硅晶格的衍射效应来分割和合并中子的。硅单晶的缺点是它的尺寸很小,只有几厘米,而且它只能用在连续中子源上,因为它需要很高的中子通量。而用多层镜子做的中子干涉仪就没有这些限制,它可以做得很大,有几十厘米,而且它可以用在脉冲中子源上,因为它可以选择想要的中子波长和方向。这样就可以提高中子干涉仪的灵敏度和效率,而且可以测量更多的物理量。

多层镜子是一种由很多层不同材料交替堆叠的薄膜,它可以反射一定波长的中子,就像一个镜子一样。多层镜子的反射率和反射角度取决于薄膜的厚度和材料的性质,所以可以通过调节这些参数来选择想要的中子波长和方向。

最近发表的一篇论文就是用多层镜子做了一个中子干涉仪,然后用脉冲中子源测量了不同材料的中子-核散射长度。这个实验的原理很简单,就是用两个多层镜子来分割和合并中子,然后在两条路线上放不同的样品,观察干涉条纹的变化。这样就可以测量样品对中子的相位差,从而得到中子-核散射长度。中子-核散射长度是描述中子和原子核之间散射强度的一个参数,它和原子核的结构和性质有关,是一种基本的物理常数。

他们测量了四种样品的中子-核散射长度,分别是硅,铝,钛和钒。他们发现,硅,铝和钛的结果都和文献值很接近,而钒的结果却有很大的差异,比文献值大了45%。他们认为,这可能是因为以前的实验用的钒样品有一些杂质,导致了中子-核散射长度的误差。他们还指出,他们的实验还有一些系统误差,比如中子波长的不确定性,样品的纯度和厚度的不确定性等等。如果能够减小这些误差,他们的实验就可以达到更高的精度。这个实验的意义是很大的,它展示了一种新的中子干涉仪的设计和应用,它可以用多层镜子来代替硅单晶,可以用脉冲中子源来代替连续中子源,可以提高中子干涉仪的灵敏度和效率。