Ученые получили в свое распоряжение новый мощный инструмент исследования вещества - нейтронную голографию.

Есть одно грубое выражение, которое - в весьма адаптированном виде - можно прочесть как "использовать все, что движется". Именно этим на протяжении последних десятилетий занимаются ученые, исследующие строение и свойства объемных кристаллов, поверхности наноструктур и наночастиц: электромагнитное излучение в диапазоне от инфракрасного до гамма-излучения, электроны, нейтроны, атомы - все идет в ход. Причем список "профессий", которыми "овладевают" кванты и частицы, непрерывно расширяется.

На сей раз "отличились" нейтроны. Уже несколько десятилетий являясь мощным инструментом исследования вещества (см., например, новости Scientific.ru от 17.05.02 и 21.06.02 ), они и до сегодняшнего дня имели немалые заслуги перед наукой, а теперь ученые смогли "научить" нейтроны новой профессии: была развита новая методика исследования вещества - нейтронная голография. Прежде чем говорить о нейтронной голографии, стоит сказать "пару слов" о голографии обычной.

Концепция голографии - техники получения и воcпроизведения трехмерных изображений объектов - была разработана более пятидесяти лет назад. Традиционная голография, использующая электромагнитное излучение видимого диапазона, работает следующим образом. Объект, изображение которого требуется получить, освещается внешним источником, отраженный от объекта свет (объектная волна) смешивается со светом от источника (опорная волна). При сложении этих двух волн возникает пространственная интерференционная картина, которая может быть записана в прозрачной светочувствительной среде. Для реконструкции (восстановления) изображения среда освещается тем же источником, который использовался для записи изображения: в результате взаимодействия со средой происходит трансформация падающей волны в объектную волну и, таким образом, наблюдатель видит восстановленное изображение объекта.

Поскольку голографический метод получения изображений основывается на самых общих принципах, ничто не ограничивает область его применимости видимым светом. В прошедшие десятилетия были разработаны и успешно применены различные варианты голографических методик - электронная голография, рентгеновская голография, голография в гамма-диапазоне... Благодаря малой длине волны излучения (либо малой дебройлевской длине волны электронов), подобные методики позволяют получать изображения объектов с нанометровым и даже атомным разрешением. Конечно, продвижение в коротковолновую область сделало невозможным использование традиционных способов записи формирующейся интерференционной картины - интерференционная картина регистрируется с помощью различных типов датчиков, а восстановление изображения происходит путем компьютерной обработки полученных данных.

Важным шагом в развитии голографии, сделавшим возможным получение изображений атомной структуры вещества, явилась разработка метода голографии с внутренним источником излучения. Было показано, что интерференционная картина, формируемая излучением от источника, находящегося внутри образца, может быть интерпретирована как голографическое изображение локальной атомной структуры (подробности см. в нашей новости). Если можно "встроить" в исследуемый образец источник, то почему бы не "встроить" в образец и детектор? Был разработан и такой метод получения голографических изображений - голография с внутренним детектором.

Дойдя до этой части повествования, самое время вернуться к нашим нейтронам. Недавно группе ученых из Венгрии, Австрии, России и Франции удалось получить голографическое изображение кристалла с атомным разрешением с помощью тепловых нейтронов, причем исследователи использовали метод голографии с внутренним детектором [1]. Второй раз повторив слова "внутренний детектор", на секунду остановимся и задумаемся - вроде бы тут что-то не так. Можно себе представить, что ядро атома кристаллической решетки рассеивает нейтроны или гамма-кванты и, таким образом, является внутренним источником излучения (опорной волны). Ничто при этом не мешает регистрировать возникающую интерференционную картину вне образца. Поглощать нейтроны и называться детектором ядро тоже, конечно, может, но вот как заставить его поделиться информацией?

Рис.1. Нейтронно-голографическое изображение локальной атомной структуры кристалла Pb0.9974Cd0.0026, имеющего гранецентрированную кубическую решетку.

Представим себе кристалл, содержащий небольшую долю атомов, ядра которых ("ядра-детекторы") имеют гораздо большее сечение поглощения нейтронов, чем ядра окружающих атомов. Вследствие малости количества таких атомов каждый из них с большой вероятностью будет окружен "нормальными" атомами. Пусть этот кристалл облучается коллимированным моноэнергетичным пучком нейтронов (когерентной нейтронной волной). Интенсивность нейтронной волны в области ядра-детектора будет являться результатом интерференции нерассеянной (опорной волны) и (объектной волны) рассеянной - в первую очередь на ближайших ядрах - нейтронных волн. Изменяя ориентацию исследуемого кристалла относительно нейтронного пучка, мы будем менять интерференционную картину вблизи ядра-детектора и, следовательно, вероятность поглощения нейтрона ядрами-детекторами (она прямо пропорциональна интенсивности нейтронной волны). Переход возникшего при поглощении нейтрона нового ядра из возбужденного в основное состояние сопровождается излучением гамма-кванта, который может быть зарегистрирован обычным детектором, расположенным вне образца. Соответственно, регистрируя изменение интенсивности гамма-излучения при изменении ориентации кристалла относительно направления падения нейтронного пучка, мы, в конечном итоге, будем получать информацию о взаимном расположении атомов в исследуемом кристалле.

Подобные эксперименты были проведены интернациональной научной группой в Гренобле. С использованием когерентного пучка тепловых нейтронов с длиной волны около одного ангстрема было получено голографическое изображение атомной структуры кристалла Pb_0.9974Cd_0.0026 (сечение поглощения нейтронов для атомов кадмия на четыре порядка превышает сечение поглощения для атомов свинца) - рис.1.

Высокая проникающая способность нейтронов и возможность использовать методики с внутренним источником и внутренним детектором делает нейтронную голографию ценным инструментом исследования вещества, позволяющим, используя особенности нейтронного рассеяния, существенно дополнить возможности иных голографических методик. В частности, нейтронная голография позволит работать с органическими и неорганическими водородосодержащими веществами (водород достаточно сильно рассеивает нейтроны и может служить в качестве "внутреннего источника" нейтронной волны) и позволит исследовать локальную магнитную структуру магнитных материалов.

1. L.Cser, Gy.Torok, G.Krexner et al. Phys.Rev.Lett., v.89, 175504 (2002).

Е.Онищенко.