想看原子運(yùn)動(dòng)過(guò)程？這臺(tái)相機(jī)能拍動(dòng)態(tài)全景

通過(guò)非彈性中子散射飛行時(shí)間譜儀，科學(xué)家能“拍攝”原子的動(dòng)態(tài)全景。中子穿透物質(zhì)，與原子核碰撞，能量和動(dòng)量的微小變化被探測(cè)并轉(zhuǎn)化為原子振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和擴(kuò)散的統(tǒng)計(jì)圖像。這種方法讓我們?nèi)缤瑩碛幸徊吭蛹?jí)“慢動(dòng)作電影”，直觀感受物質(zhì)內(nèi)部的微觀運(yùn)動(dòng)，揭示材料、分子甚至生物體系的動(dòng)力學(xué)奧秘。

撰文 | 劉新智、王猛、鄭躍 (中山大學(xué)物理學(xué)院 廣東省磁電物性分析與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中子科學(xué)與技術(shù)研究院）

在物質(zhì)科學(xué)研究中，我們常常聚焦于其靜態(tài)結(jié)構(gòu)——原子如何排列，晶體有何對(duì)稱(chēng)性。然而，很多情況下，直接決定材料中力、熱、光、電、磁等宏觀物性的往往是其微觀層面的動(dòng)態(tài) (激發(fā)態(tài)) 行為。無(wú)論在室溫還是極低溫度下，這些激發(fā)態(tài) (通常是量子體系的集體激發(fā)態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)元激發(fā)) 也廣泛存在并發(fā)揮著重要作用。原子如何在平衡位置附近振動(dòng)從而產(chǎn)生聲子，磁矩如何集體舞動(dòng)而產(chǎn)生自旋波，以及這些微觀自由度在動(dòng)態(tài)層面上如何相互耦合，最終導(dǎo)致了超導(dǎo)、超流、量子自旋液體、多鐵性等宏觀量子現(xiàn)象的涌現(xiàn)？要直接“看見(jiàn)”這些動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要一種特殊的探針：它既能感知原子尺度的空間變化，又能分辨毫電子伏特 (meV) 級(jí)的能量交換；既能穿透材料體相，又能對(duì)原子和磁性信號(hào)敏感。中子正是開(kāi)啟這類(lèi)復(fù)雜物理現(xiàn)象大門(mén)奧秘的一把近乎完美的鑰匙。

中子作為電中性粒子，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：穿透力強(qiáng)，可進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部測(cè)量體相性質(zhì)，而不受表面影響；與原子核相互作用，使其對(duì)氫、鋰等輕元素極為敏感，且能清晰區(qū)分相鄰元素與同位素；具有自旋磁矩，對(duì)具有未滿殼層而具有原子磁矩的3d，4d，4f，5d 等軌道電子云敏感，可直接探測(cè)磁性材料中的磁結(jié)構(gòu)與自旋激發(fā)。經(jīng)過(guò)適當(dāng)溫度介質(zhì)慢化的“熱中子” (典型能量為幾十到上百meV) 具有理想的波長(zhǎng)與能量。其能量剛好匹配固體中最常見(jiàn)的元激發(fā)(聲子與自旋波)，而其波長(zhǎng)與原子間距相當(dāng) (典型值約1 ?) 。當(dāng)中子與晶格、分子或者自旋系統(tǒng)發(fā)生非彈性散射時(shí)，它會(huì)交出或帶走一份微小的能量與動(dòng)量，這份能量變化恰好對(duì)應(yīng)著材料內(nèi)部元激發(fā)的能量與動(dòng)量。如圖1(a)所示，通過(guò)精確測(cè)量散射前后中子的能量與動(dòng)量變化，我們便能直接繪制出聲子色散譜、自旋波譜等動(dòng)力學(xué)圖像，如同為物質(zhì)的微觀運(yùn)動(dòng)拍攝一部“動(dòng)量—能量”分辨的紀(jì)錄片。

圖1 (a)聲子與自旋波的色散關(guān)系示意圖。插圖為聲子與自旋波的示意圖，基于不同能量窗口和色散模式，色散曲線分為聲學(xué)支與光學(xué)支；飛行時(shí)間模式非彈性中子散射譜儀的(b)結(jié)構(gòu)示意圖和(c)工作原理示意圖

作為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和自旋元激發(fā)動(dòng)力學(xué)的重要工具，非彈性中子散射譜儀這臺(tái)原子世界的“動(dòng)態(tài)相機(jī)”在諸多前沿領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用：例如在高溫超導(dǎo)機(jī)理探索方面，中子散 射可以為理解電子配對(duì)機(jī)制提供重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。在銅基、鐵基超導(dǎo)體中，非彈性中子散射直接觀測(cè)到了奇異的“自旋共振模”[1]。這種只在超導(dǎo)態(tài)下出現(xiàn)、能量與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度成正比的集體磁激發(fā)，被認(rèn)為是磁性相互作用參與超導(dǎo)配對(duì)的標(biāo)志，為理解高溫超導(dǎo)電子配對(duì)機(jī)制提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)線索。量子自旋液體是一種即使接近絕對(duì)零度也不會(huì)磁有序的奇特量子態(tài)，可以被用于拓?fù)淞孔佑?jì)算等未來(lái)科技，但由于其與平庸的順磁態(tài)看起來(lái)非常接近 (實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)皆為無(wú)序)，在研究上存在很大困難。非彈性中子散射通過(guò)揭示其自旋激發(fā)寬連續(xù)譜或分?jǐn)?shù)化的量子激發(fā)等特征，為驗(yàn)證這一前沿物態(tài)提供了核心證據(jù)[2]。在熱電材料研究中，非彈性中子散射可以直接測(cè)量聲子色散關(guān)系，從而在微觀層面揭示超低熱導(dǎo)率的物理起源，為應(yīng)用材料設(shè)計(jì)指明了方向[3]。

實(shí)現(xiàn)晶格和自旋激發(fā)測(cè)量的核心工具是非彈性中子散射譜儀，其發(fā)展歷程是一部追求更高效率、更高分辨率與更強(qiáng)適應(yīng)性的歷史。1955年，Brockhouse發(fā)明了三軸中子散射譜儀，開(kāi)辟了非彈性中子散射的領(lǐng)域，并因此獲得1994年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這類(lèi)譜儀原理非常簡(jiǎn)潔，利用布拉格反射從連續(xù)中子束中篩選出特定能量的入射和出射中子。單色器和分析器來(lái)分別選定單一的中子入射或出射動(dòng)量和能量，最終可以計(jì)算出散射過(guò)程改變的能量和動(dòng)量。三軸譜儀具有很強(qiáng)的靈活性，非常適合對(duì)倒空間 (動(dòng)量空間) 中特定方向進(jìn)行高精度掃描和追蹤，例如研究某個(gè)方向聲子色散關(guān)系，以及其隨溫度或磁場(chǎng)變化的演化行為。三軸譜儀的靈活結(jié)構(gòu)使其特別適合建設(shè)在研究型反應(yīng)堆等穩(wěn)態(tài)連續(xù)中子源上，在非彈性中子散射中占有重要地位，在很長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)都是非彈性中子散射的主要甚至是唯一的工具。目前在我國(guó)幾個(gè)主要的研究型反應(yīng)堆上，包括北京的CARR堆和綿陽(yáng)的CMRR研究堆，都建設(shè)了多臺(tái)三軸中子譜儀，覆蓋了從熱中子到冷中子的入射中子能量區(qū)間[4，5]。然而，三軸中子譜儀也有局限性，其工作模式如同“逐點(diǎn)掃描”，要獲得整個(gè)四維空間完整的動(dòng)量—能量色散關(guān)系，需要耗費(fèi)大量時(shí)間，工作效率非常低。而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)樣品的中子散射是同時(shí)發(fā)生在所有動(dòng)量—能量空間的，逐點(diǎn)測(cè)量相當(dāng)于浪費(fèi)了絕大部分中子。

隨著脈沖式中子源 (散裂中子源) 的發(fā)展，中子飛行時(shí)間譜儀應(yīng)運(yùn)而生，為實(shí)現(xiàn)非彈性散射提供了另外一種方案。其原理基于中子作為非相對(duì)論粒子，其運(yùn)動(dòng)速度與動(dòng)量和能量一一對(duì)應(yīng)的這個(gè)事實(shí) (熱中子速度典型值一般不超過(guò)10 km/s) 。利用脈沖中子和飛行時(shí)間法：固定飛行距離，通過(guò)測(cè)量中子到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間來(lái)確定其速度與能量。特別是直接幾何飛行時(shí)間譜儀，它使用斬波器篩選出單能中子，中子能量通過(guò)斬波器的相位唯一地確定。中子從樣品散射之后，動(dòng)量和能量會(huì)發(fā)生變化，從而速度的大小和方向也會(huì)發(fā)生變化。因此，不同能量的被散射中子到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間也會(huì)不同。通過(guò)記錄下中子到達(dá)不同探測(cè)器的時(shí)間和探測(cè)器的位置，可以計(jì)算出中子的能量改變和動(dòng)量改變。從而最終得到對(duì)應(yīng)的動(dòng)量—能量(Q—E)四維空間的數(shù)據(jù)。而這些事件的描述是在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中進(jìn)行的，它可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)換到以晶體布里淵區(qū)的坐標(biāo)系[H, K, L]中，變成在各個(gè)布里淵區(qū)的動(dòng)量—能量分布數(shù)據(jù)。飛行時(shí)間譜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖如圖1(b)，(c)所示。在飛行時(shí)間譜儀中，往往同時(shí)使用多個(gè)探測(cè)器構(gòu)成陣列，探測(cè)器之間獨(dú)立工作。一次實(shí)驗(yàn)即可同時(shí)捕獲大量來(lái)自不同散射角度、具有不同能量轉(zhuǎn)移的中子，相當(dāng)于對(duì)一大片動(dòng)量—能量空間進(jìn)行“全景快照”，數(shù)據(jù)采集效率相比三軸譜儀有數(shù)量級(jí)的提升。脈沖式的散裂中子源與飛行時(shí)間技術(shù)在原理上天生絕配：散裂源產(chǎn)生的本身就是脈沖中子，為中子飛行時(shí)間法提供了天然的時(shí)間零點(diǎn)。因此飛行時(shí)間法能最大效率利用中子，實(shí)現(xiàn)高通量測(cè)量。因此，世界各大散裂中子源 (如美國(guó)的SNS、日本的JPARC、英國(guó)的ISIS) 都建設(shè)了多臺(tái)飛行時(shí)間模式的中子非彈譜儀。

圖2 (a)中山大學(xué)與中國(guó)散裂中子源聯(lián)合建設(shè)的高能非彈譜儀結(jié)構(gòu)模型示意圖；(b)譜儀現(xiàn)場(chǎng)照片

依托2018年建成出束的我國(guó)首臺(tái)、世界第四臺(tái)脈沖散裂中子源——中國(guó)散裂中子源 (CSNS)，中山大學(xué)和中國(guó)散裂中子源聯(lián)合自主設(shè)計(jì)建造了國(guó)內(nèi)首臺(tái)飛行時(shí)間模式的非彈性中子散射譜儀，全稱(chēng)是“高能直接幾何非彈性中子散射飛行時(shí)間譜儀”，簡(jiǎn)稱(chēng)“高能非彈譜儀” (圖2)[6，7]。高能非彈譜儀從2019年開(kāi)始建設(shè)，2023年初出束，2025年11月通過(guò)驗(yàn)收，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)首臺(tái)飛行時(shí)間模式的非彈性中子散射譜儀正式建成并投入使用。該譜儀有著先進(jìn)的物理設(shè)計(jì)指標(biāo)，入射中子設(shè)計(jì)能量范圍為10—1500 meV，能量分辨率達(dá)到入射能量的3%—5%；探測(cè)器設(shè)計(jì)水平角度覆蓋范圍達(dá)到水平-30°—130° (目前一期建設(shè)了-30°—60°)，豎直方向覆蓋角度范圍：-30°—30°。該譜儀的成功建設(shè)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，標(biāo)志著我國(guó)在晶格與自旋動(dòng)力學(xué)表征領(lǐng)域擁有了國(guó)際先進(jìn)水平的研究平臺(tái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 (圖3)，證實(shí)了其在單位功率的束流通量、特定能量區(qū)間信噪比等部分指標(biāo)方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平，并且具有鮮明特色：

(1)寬入射能覆蓋與大探測(cè)角度保證了大的動(dòng)量—能量轉(zhuǎn)移范圍：入射中子能量覆蓋10—1500 meV，既能探測(cè)高能激發(fā)，也能兼顧低能激發(fā)。由于其較大的探測(cè)器水平覆蓋范圍，能同時(shí)高效地測(cè)量聲子和自旋波激發(fā)。

(2)單束模式與多束模式并存兼顧了準(zhǔn)確性與實(shí)驗(yàn)效率：傳統(tǒng)飛行時(shí)間譜儀只能從一個(gè)中子脈沖中篩選一個(gè)能量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖然能夠保證物理結(jié)果的正確性和簡(jiǎn)潔，但絕大部分中子都被過(guò)濾浪費(fèi)掉了。與此同時(shí)，利用多束重復(fù)模式 (RRM) 可以從一個(gè)中子脈沖中取出多個(gè)不同入射能量的單色束 (最多可達(dá)10束左右) ，不同初始能量的中子分別入射到樣品上進(jìn)行散射實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提升了實(shí)驗(yàn)效率。單色能量和多束能量這兩種模式可以自由切換，在準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)效率之間取得最優(yōu)平衡。

(3)樣品環(huán)境多樣：這臺(tái)譜儀配備了1.5—800 K變溫樣品環(huán)境、7 T超導(dǎo)磁體，此外還在發(fā)展力—熱—磁原位多場(chǎng)加載裝置，將為我國(guó)在高溫超導(dǎo)、量子磁性、磁電與多鐵性材料、新能源材料等前沿領(lǐng)域的原創(chuàng)性研究提供強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)支撐。

圖3 (a)高能非彈譜儀實(shí)驗(yàn)測(cè)得的Si單晶的聲子譜；(b)理論計(jì)算模擬Si標(biāo)樣的聲子譜(感謝中國(guó)散裂中子源羅偉提供實(shí)驗(yàn)及理論模擬圖片)

從Brockhouse時(shí)代的三軸譜儀，到今天基于散裂中子源的先進(jìn)飛行時(shí)間譜儀，非彈性中子散射技術(shù)發(fā)展進(jìn)化，為我們窺探物質(zhì)微觀動(dòng)力學(xué)世界打開(kāi)了越來(lái)越清晰的窗口。基于中國(guó)散裂中子源的高能非彈譜儀的建成，不僅是中子散射裝置技術(shù)的突破，更是為物理、化學(xué)、材料、能源等多學(xué)科研究提供了一個(gè)重要的平臺(tái)。它正張開(kāi)雙臂，迎接國(guó)內(nèi)外科學(xué)家前來(lái)探索未知，共同解讀物質(zhì)動(dòng)態(tài)行為的奧秘，為未來(lái)科學(xué)研究和材料設(shè)計(jì)突破注入強(qiáng)勁動(dòng)力。

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本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“中國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊網(wǎng)”，原標(biāo)題：原子世界的“動(dòng)態(tài)相機(jī)”：非彈性中子散射飛行時(shí)間譜儀。

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