Mionska spektroskopija

1. Mionska spektroskopija Tomislav Donđivić

2. Razumijevanje fundamentalnih fizikalnih svojstava omogućuje razvoj novih tehnologija i vodi do otkrivanja novih materijala za buduću aplikaciju. Istraživanje mikroskopskih struktura. Ne možemo vidjeti očima, oslanjamo se na eksperimentalne metode. μSR (μSR stands for Muon Spin Relaxation, Rotation, Resonance, Research) je jedna od metoda koja koristi čestice mione, koji su zbog spina i naboja izrazito osjetljive 'sonde’. Bazira se na implantaciji miona u materiju i na otkrivanju utjecaja atomske i molekularne okoline na njegov spin. Na spin utječe magnetna karakteristika okoline, dobivamo informacije o okolini.

3. Što su mioni? Kada primarno svemirsko zračenje, koje se sastoji pretežno od protona, upadne u Zemljinu atmosferu, u sudarima s jezgrama atoma zraka nastanu različite čestice nazvane sekundarno svemirsko zračenje. Proučavanjem sekundarnog zračenja otkriven 1937. mion.

4. Nobelovac Carl David Anderson, isprva je vjerovao da je otkrio pion, česticu koju je postulirao Hideki Jukava. Nova, neočekivana čestica! “Who ordered that?“ Isidor Isaac Rabi Carl David Anderson Mion je prva čestica iz serije novih koja je zbunjivala teorijske fizičare tog doba. “Pronalazač nove čestice je do sada nagrađivan Nobelovom nagradom, a sada bi se ta osoba trebala kaziti sa 10.000 dolara kazne.” Willis Lamb, 1955. dodjela Nobelove nagrade

5. Mion je fermion (spin 1/2), pripada obitelji leptona, ali je teži i kratkoživući brat elektrona. U prosjeku se nakon 2,2 mikrosekunde raspada na elektron i dva neutrina. Može nositi pozitivan ili negativan naboj. Masa mu je 105,6 MeV/c2, što je za 206,7 puta veće od mase elektrona. Mionski magnetski moment je 3.18 puta veći nego od protona.

6. Nastajanje miona Kozmičke zrake su veliki izvor miona - 1 mion svake minute stigne na 1 cm^2 Zemljine površine. Od 1950ih za eksperimente potreban veći intenzitet. Mioni se dobivaju raspadom piona. Dakle, prvo nam trebaju pioni. Pioni nastaju uslijed dovoljno velikog broja kolizija visoko-energijskih protona (>500 MeV) s jezgrama ugljika ili berilija.

8. Radi očuvanja impulsa, mion i neutrino moraju biti emitirani u suprotnim smjerovima, a kako pion nema unutrašnji angularni moment, spin miona i neutrina mora biti usmjeren suprotno. Neutrino ima antiparalelni spin i impuls - zbog narušene parnost kod slabih interakcija. Isto je i za pozitivni mion. Svojstvo da mion ima energiju od 4.1 MeV i impuls 29.79 MeV/c omogućuje nastajanje zrake sa 100% spinskom polarizacijom, usmjerena antiparlelno od impulsa.

9. Tehnikom μSR može se direktno slijediti promjenu spina miona unutar promatranog uzorka što omogućava dobivanje informacije o fizikalnim svojstvima uzorka u koji je mion bio implantiran. Mion se ponaša kao mikrosonda kojim se može mjeriti lokalna distribucija magnetskog polja i njezine fluktuacije s velikom preciznošću (manje od 0.1 mT).

10. Eksperiment Mion ulazi u uzorak - spin je polariziran i usmjeren u smjeru suprotno od impulsa te u smjeru odakle je došao. Mion se može raspasti prije nego dođe do uzorka - neće precesirati, a pozitron će biti emitiran u pozadinski detektor. Ako mion poživi duže - precesirati će, a pozitron će udariti u prednji detektor. Muon se raspada nakon vremena t, vjerojatnost je proporcionalna s , gdje je τ = 2.2 µs (život)

11. Magnetsko polje koje djeluje na mion određuje se mjerenjem Larmorprecesije muonskog spina – pratiti promjenu spina. U magnetskom polju spin će precesirati u smjeru polja s frekvencijom ωµ proporcionalnom s poljem B: ωµ = yµ B (yµ = 2π x 135.5 MHzT-1 ).

12. Broj pozitrona detektiranih u pozadinskom i prednjem detektoru je opisan funkcijama NF(t) i NB(t): Uvodi se asimetrična funkcija: A0 - eksperimentalno određena maksimalna asimetrija.

13. Vrijednosti A(t) i P(t) sadrže sve informacije o interakciji spina muona (ili magnetskog momenta) s lokalnom magnetskom ili spinskom okolinom i tako nam daju informacije o fizikalnim svojstvima uzorka.

15. Primjene Tehnika μSR primarno se koristi za bazična istraživanja u fizici kondenzirane materije i kemiji za dobivanje informacija o unutrašnjem magnetskom polju i elektronskoj konfiguraciji materijala. Koristi se i kod supervodiča. Biološka primjena: potencijalni alat za dobivanje mikroskopskih informacija o biološkim sustavima. Metoda je već demonstrirana u prijenosnim procesima elektrona u proteinu cytochrome c. Posebnosti μSR: osjetljivost na slaba magnetska polja, može mjeriti magnetske fluktuacije u intervalu od 104 do 1012 Hz, mioni mogu biti implementirani u bilo koji materijal (plin, tekućinu, krutinu)...

16. Laboratoriji μSR u svijetu Paul Scherrer Institute (PSI) Tri-University Meson Facility (TRIUMF) High energy accelerator organization (KEK) Rutherford Appleton Laboratory (ISIS, RAL)

18. Literatura Spin-polarized muons in condensed matter physics, S. J. Blundell,Oxford University Department of Physics, Clarendon Laboratory, Parks Road,Oxford OX1 3PU, February 1, 2008 Generation and applications of slow polarized muons, Pavel Bakule and Elvezio Morenzoni; Contemporary Physics, May – June 2004, volume 45, number 3, pages 203 – 225 Muon Spin Rotation/Relaxation/Resonance (μSR), brochure, Jeff E. Sonier Simon Fraser University Department of Physics University Drive Burnaby, British Columbia