La espectroscopia de espín muón también conocida como µSR es una técnica experimental basada en la implantación de muones polarizados en espín en la materia y en la detección de la influencia del entorno atómico, molecular o cristalino en su movimiento de espín. El movimiento del espín del muón se debe al campo magnético experimentado por la partícula y puede proporcionar información sobre su entorno local de una manera muy similar a otras técnicas de resonancia magnética [a] , como la resonancia de espín de electrones (ESR o EPR) y, más de cerca, resonancia magnética nuclear (RMN).
Introducción
La espectroscopia de espín muónico es una técnica experimental atómica, molecular y de materia condensada que aprovecha los métodos de detección nuclear. En analogía con los acrónimos de las espectroscopias NMR y ESR previamente establecidas , la espectroscopía de espín muónico también se conoce como µSR. El acrónimo significa rotación, relajación o resonancia del espín del muón, dependiendo respectivamente de si el movimiento del espín del muón es predominantemente una rotación (más precisamente una precesión alrededor de un campo magnético inmóvil ), una relajación hacia una dirección de equilibrio o una dinámica más compleja dictada. mediante la adición de pulsos cortos de radiofrecuencia . µSR no requiere ninguna técnica de radiofrecuencia para alinear el espín de sondeo.
Hablando en términos más generales, la espectroscopia de espín muónico incluye cualquier estudio de las interacciones del momento magnético del muón con su entorno cuando se implanta en cualquier tipo de materia. Sus dos características más notables son su capacidad para estudiar los entornos locales, debido a la corto alcance eficaz de las interacciones de muones con la materia, y la característica de ventana de tiempo (10 -13 - 10 -5 s) de los procesos dinámicos en atómico, molecular y medios condensados. El paralelo más cercano a µSR es la "RMN pulsada", en la que se observa la polarización nuclear transversal dependiente del tiempo o la denominada " desintegración por inducción libre " de la polarización nuclear. Sin embargo, una diferencia clave es que en µSR se usa un espín implantado específicamente (el muón) y no se basa en espines nucleares internos.
Aunque las partículas se utilizan como sonda, µSR no es una técnica de difracción. Una distinción clara entre la técnica µSR y las que involucran neutrones o rayos X es que la dispersión no está involucrada. Las técnicas de difracción de neutrones , por ejemplo, utilizan el cambio de energía y / o momento de un neutrón disperso para deducir las propiedades de la muestra. Por el contrario, los muones implantados no se difractan, sino que permanecen en una muestra hasta que se desintegran. Solo un análisis cuidadoso del producto de desintegración (es decir, un positrón ) proporciona información sobre la interacción entre el muón implantado y su entorno en la muestra.
Como ocurre con muchos de los otros métodos nucleares, µSR se basa en descubrimientos y desarrollos realizados en el campo de la física de partículas. Tras el descubrimiento del muón por Seth Neddermeyer y Carl D. Anderson en 1936, se realizaron experimentos pioneros sobre sus propiedades con rayos cósmicos . De hecho, con un muón que golpea cada centímetro cuadrado de la superficie de la tierra cada minuto, los muones constituyen el componente principal de los rayos cósmicos que llegan al nivel del suelo. Sin embargo, los experimentos de µSR requieren flujos de muones del orden demuones por segundo y centímetro cuadrado. Estos flujos solo pueden obtenerse en aceleradores de partículas de alta energía que se han desarrollado durante los últimos 50 años.
Producción de muones
La colisión de un haz de protones acelerado (energía típica 600 MeV) con los núcleos de un objetivo de producción produce piones positivos () a través de las posibles reacciones:
A partir de la posterior desintegración débil de los piones (vida media = 26,03 ns) muones positivos () se forman a través de la descomposición de dos cuerpos :
La violación de la paridad en las interacciones débiles implica que solo existen neutrinos zurdos, con su espín antiparalelo a su momento lineal (del mismo modo, solo se encuentran en la naturaleza antineutrinos diestros). Dado que el pión no tiene espín, tanto el neutrino como elson expulsados con un giro antiparalelo a su impulso en el marco de descanso de piones. Esta es la clave para proporcionar haces de muones con espín polarizado. Según el valor de la cantidad de movimiento del pión, diferentes tipos de-Hay vigas disponibles para medidas µSR.
Clases energéticas de haces de muones
Los haces de muones se clasifican en tres tipos según la energía de los muones que se producen: de alta energía, de superficie o "Arizona", y haces de muones ultralentos.
Los haces de muones de alta energía están formados por los piones que escapan del objetivo de producción a altas energías. Se recogen sobre un cierto ángulo sólido mediante imanes cuadrupolos y se dirigen a una sección de desintegración que consiste en un solenoide superconductor largo con un campo de varios teslas. Si el impulso de los piones no es demasiado alto, una gran fracción de los piones se habrá descompuesto antes de llegar al final del solenoide. En el marco del laboratorio, la polarización de un haz de muones de alta energía está limitada a aproximadamente el 80% y su energía es del orden de ~ 40-50 MeV. Aunque un haz de tan alta energía requiere el uso de moderadores adecuados y muestras con suficiente espesor, garantiza una implantación homogénea de los muones en el volumen de la muestra. Estos haces también se utilizan para estudiar muestras dentro de los receptores, por ejemplo, muestras dentro de las celdas de presión. Estos haces de muones están disponibles en PSI , TRIUMF , J-PARC y RIKEN-RAL .
El segundo tipo de haz de muones a menudo se denomina haz de superficie o de Arizona (recordando el trabajo pionero de Pifer et al. [1] [2] de la Universidad de Arizona ). En estos rayos, los muones surgen de piones que se descomponen en reposo dentro pero cerca de la superficie del objetivo de producción. Dichos muones están polarizados al 100%, idealmente monocromáticos y tienen un momento muy bajo de 29,8 MeV / c (correspondiente a una energía cinética de 4,1 MeV). Tienen una amplitud de rango del orden de 180 mg / cm 2 . La principal ventaja de este tipo de haz es la capacidad de utilizar muestras relativamente delgadas. Los haces de este tipo están disponibles en PSI (Swiss Muon Source SµS), TRIUMF, J-PARC, ISIS Neutron y Muon Source y RIKEN-RAL.
Se pueden obtener haces de muones positivos de incluso menor energía ( muones ultralentos con energía hasta el rango eV-keV) reduciendo aún más la energía de un haz de Arizona utilizando las características de pérdida de energía de los moderadores sólidos de banda ancha grande . Esta técnica fue iniciada por investigadores de las instalaciones de ciclotrón TRIUMF en Vancouver, BC , Canadá . Fue bautizado con el acrónimo μSOL (separador de muones en línea) e inicialmente empleó LiF como sólido moderador. [3] El mismo artículo de 1986 también informó la observación de iones de muonio negativos (es decir, Mu - o μ + e - e - ) en el vacío. En 1987, la tasa de producción lenta de μ + se incrementó 100 veces utilizando moderadores sólidos de gas raro de película delgada, produciendo un flujo utilizable de muones positivos de baja energía. [4] Esta técnica de producción fue posteriormente adoptada por PSI para su instalación de haces de muones positivos de baja energía. El rango de energía sintonizable de tales haces de muones corresponde a profundidades de implantación en sólidos de menos de un nanómetro hasta varios cientos de nanómetros. Por tanto, es posible el estudio de las propiedades magnéticas en función de la distancia a la superficie de la muestra. En la actualidad, PSI es la única instalación en la que se dispone de forma regular de un haz de muones de baja energía. También se han realizado desarrollos técnicos en RIKEN-RAL, pero con una tasa de muones de baja energía muy reducida. J-PARC proyecta el desarrollo de un haz de muones de alta intensidad y baja energía. [ cuando? ]
Haces de muones continuos frente a pulsados
Además de la clasificación anteriormente mencionada basada en la energía, los haces de muones también se dividen según la estructura temporal del acelerador de partículas, es decir, continuos o pulsados.
Para fuentes continuas de muones, no existe una estructura temporal dominante. Al seleccionar una tasa de muones entrantes adecuada, los muones se implantan en la muestra uno por uno. La principal ventaja es que la resolución de tiempo está determinada únicamente por la construcción del detector y la electrónica de lectura. Sin embargo, existen dos limitaciones principales para este tipo de fuente: (i) las partículas cargadas no rechazadas que golpean accidentalmente los detectores producen recuentos de fondo aleatorios no despreciables; esto compromete las mediciones después de algunas vidas de muones, cuando el fondo aleatorio excede los verdaderos eventos de desintegración; y (ii) el requisito de detectar los muones uno a la vez establece una tasa máxima de eventos. El problema de fondo se puede reducir mediante el uso de deflectores electrostáticos para garantizar que no entren muones en la muestra antes de la desintegración del muón anterior. PSI y TRIUMF albergan las dos fuentes continuas de muones disponibles para los experimentos de µSR.
En las fuentes de muones pulsados , los protones que golpean el objetivo de producción se agrupan en pulsos cortos, intensos y ampliamente separados que proporcionan una estructura de tiempo similar en el haz de muones secundario. Una ventaja de las fuentes de muones pulsados es que la tasa de eventos solo está limitada por la construcción del detector. Además, los detectores están activos solo después del pulso de muón entrante, lo que reduce considerablemente los recuentos de fondo accidentales. La ausencia virtual de fondo permite la extensión de la ventana de tiempo para las mediciones hasta unas diez veces la vida media del muón. La principal desventaja es que la amplitud del pulso del muón limita la resolución temporal. ISIS Neutron and Muon Source y J-PARC son las dos fuentes de pulsos de muones disponibles para experimentos µSR.
Técnica espectroscópica
Implantación de muones
Los muones se implantan en la muestra de interés donde pierden energía muy rápidamente. Afortunadamente, este proceso de desaceleración ocurre de tal manera que no pone en peligro una medición de μSR. Por un lado, es muy rápido (mucho más rápido que 100 ps), que es mucho más corto que una ventana de tiempo μSR típica (hasta 20 μs), y por otro lado, todos los procesos involucrados durante la desaceleración son Coulombic ( ionización de átomos, dispersión de electrones , captura de electrones ) en origen y no interactúan con el espín del muón, por lo que el muón se termaliza sin ninguna pérdida significativa de polarización.
Los muones positivos suelen adoptar sitios intersticiales de la red cristalográfica , que se distinguen notablemente por su estado electrónico (de carga). La espectroscopia de un muón unido químicamente a un electrón desapareado es notablemente diferente de la de todos los demás estados muónicos, lo que motiva la distinción histórica en los estados paramagnético y diamagnético . Tenga en cuenta que muchos estados de muones diamagnéticos realmente se comportan como centros paramagnéticos, de acuerdo con la definición estándar de un paramagnet . Por ejemplo, en la mayoría de las muestras metálicas, que son paraimanes de Pauli , la carga positiva del muón es filtrada colectivamente por una nube de electrones de conducción . Por lo tanto, en los metales, el muón no está unido a un solo electrón, por lo que se encuentra en el llamado estado diamagnético y se comporta como un muón libre. En los aisladores o semiconductores no puede tener lugar un apantallamiento colectivo y el muón generalmente recogerá un electrón y formará el llamado muonio (Mu = μ + + e - ), que tiene un tamaño similar ( radio de Bohr ), masa reducida e ionización. energía al átomo de hidrógeno . Este es el prototipo del llamado estado paramagnético .
Detección de polarización de muones
La desintegración del muón positivo en un positrón y dos neutrinos se produce a través del proceso de interacción débil después de una vida media de τ μ = 2,197034 (21) μs:
La violación de la paridad en la interacción débil conduce en este caso más complicado ( desintegración de tres cuerpos ) a una distribución anisotrópica de la emisión de positrones con respecto a la dirección de giro de μ + en el tiempo de desintegración. La probabilidad de emisión de positrones viene dada por
dónde es el ángulo entre la trayectoria del positrón y el giro μ + , yes un parámetro de asimetría intrínseca determinado por el mecanismo de desintegración débil. Esta emisión anisotrópica constituye, de hecho, la base de la técnica μSR.
La asimetría media se mide sobre un conjunto estadístico de muones implantados y depende de otros parámetros experimentales, como la polarización del espín del haz , cerca de uno, como ya se mencionó . TeóricamenteSe obtiene = 1/3 si todos los positrones emitidos se detectan con la misma eficiencia, independientemente de su energía. Prácticamente, los valores de ≈ 0,25 se obtienen de forma rutinaria.
El movimiento de rotación del muón puede medirse en una escala de tiempo dictada por la desintegración del muón , es decir , unas pocas veces τ μ , aproximadamente 10 μs. La asimetría en la desintegración del muón correlaciona la emisión de positrones y las direcciones de giro del muón. El ejemplo más simple es cuando la dirección de giro de todos los muones permanece constante en el tiempo después de la implantación (sin movimiento). En este caso, la asimetría se muestra como un desequilibrio entre los recuentos de positrones en dos detectores equivalentes colocados delante y detrás de la muestra, a lo largo del eje del haz. Cada uno de ellos registra una tasa de decadencia exponencial en función del tiempo t transcurrido desde la implantación, según
con para el detector mirando hacia y desde la flecha de giro, respectivamente. Teniendo en cuenta que la enorme polarización muón giro está completamente fuera de equilibrio térmico, una relajación dinámico hacia el estado de equilibrio no polarizada muestra típicamente en la tasa de recuento, como un factor de decaimiento adicional delante del parámetro de asimetría experimental, A . Un campo magnético paralelo a la dirección inicial del espín del muón sondea la tasa de relajación dinámica en función de la energía adicional del muón Zeeman , sin introducir una dinámica de espín coherente adicional. Esta disposición experimental se llama campo longitudinal (LF) μSR.
Un caso especial de LF μSR es el campo cero (ZF) μSR, cuando el campo magnético externo es cero. Esta condición experimental es particularmente importante ya que permite sondear cualquier campo magnético interno cuasi-estático (es decir, estático en la escala de tiempo del muón) de distribución de campo en el sitio del muón. Los campos internos cuasiestáticos pueden aparecer espontáneamente, no inducidos por la respuesta magnética de la muestra a un campo externo. Se producen por momentos magnéticos nucleares desordenados o, lo que es más importante, por momentos magnéticos de electrones ordenados y corrientes orbitales.
Otro tipo simple de experimento μSR es cuando se implantan todos los espines de muones precesan coherentemente alrededor del campo magnético externo de módulo., perpendicular al eje del haz, lo que hace que el desequilibrio de conteo oscile a la frecuencia de Larmor correspondiente entre los mismos dos detectores, de acuerdo con
Dado que la frecuencia de Larmor es , con una relación giromagnética Mrad (sT) -1 , el espectro de frecuencia obtenido por medio de esta disposición experimental proporciona una medida directa de la distribución de la intensidad del campo magnético interno. La distribución produce un factor de disminución adicional de la asimetría experimental A . Este método generalmente se conoce como campo transversal (TF) μSR.
Un caso más general es cuando la dirección inicial de rotación del muón (que coincide con el eje del detector) forma un ángulo con la dirección del campo. En este caso, la precesión del espín del muón describe un cono que da como resultado una componente longitudinal,, y un componente de precesión transversal, , de la asimetría total. Los experimentos de ZF μSR en presencia de un campo interno espontáneo también entran en esta categoría.
Aplicaciones
La rotación y relajación del espín del muón se realiza principalmente con muones positivos. Son muy adecuados para el estudio de campos magnéticos a escala atómica dentro de la materia, como los producidos por varios tipos de magnetismo y / o superconductividad encontrados en compuestos que ocurren en la naturaleza o producidos artificialmente por la ciencia moderna de materiales .
La profundidad de penetración de London es uno de los parámetros más importantes que caracterizan a un superconductor porque su cuadrado inverso proporciona una medida de la densidad n s de los pares de Cooper . La dependencia de n s de la temperatura y el campo magnético indica directamente la simetría del espacio superconductor. La espectroscopia de espín muónico proporciona una forma de medir la profundidad de penetración, por lo que se ha utilizado para estudiar superconductores de cuprato de alta temperatura desde su descubrimiento en 1986.
Otros campos importantes de aplicación de µSR aprovechan el hecho de que los muones positivos capturan electrones para formar átomos de muonio que se comportan químicamente como isótopos ligeros del átomo de hidrógeno . Esto permite investigar el efecto isotópico cinético más grande conocido en algunos de los tipos más simples de reacciones químicas, así como las primeras etapas de formación de radicales en sustancias químicas orgánicas. El muonio también se estudia como un análogo del hidrógeno en semiconductores , donde el hidrógeno es una de las impurezas más ubicuas.
Instalaciones
µSR requiere un acelerador de partículas para la producción de un haz de muones. Esto se logra actualmente en pocas instalaciones a gran escala en el mundo: la fuente continua CMMS en TRIUMF en Vancouver, Canadá; la fuente continua SµS en el Paul Scherrer Institut (PSI) en Villigen, Suiza; la fuente de neutrones y muones de ISIS y las fuentes pulsadas RIKEN-RAL en el laboratorio Rutherford Appleton en Chilton, Reino Unido; y la instalación de J-PARC en Tokai, Japón, donde se está construyendo una nueva fuente de impulsos para reemplazar la de KEK en Tsukuba, Japón. Los haces de muones también están disponibles en el Laboratorio de Problemas Nucleares, Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en Dubna, Rusia. La Sociedad Internacional de Espectroscopía µSR (ISMS) existe para promover el avance mundial de µSR. La membresía en la sociedad está abierta de forma gratuita a todas las personas del mundo académico, los laboratorios gubernamentales y la industria que tengan interés en los objetivos de la sociedad.
Ver también
- Muón
- Muonio
- Resonancia magnética nuclear
- Correlación angular perturbada
Notas
- ^ Las técnicas de resonancia se caracterizan a menudo por el uso de circuitos resonantes, lo que no es el caso de la espectroscopia de espín muónico. Sin embargo, la verdadera naturaleza resonante de todas estas técnicas, incluida la espectroscopía de muones, radica en el requisito muy estrecho y resonante de cualquier perturbación dependiente del tiempo para que pueda influir de manera efectiva en la dinámica de la sonda: para cada excitación que interactúa con el muón (vibraciones de celosía, carga y ondas de espín electrónicas) solo aquellos componentes espectrales que coincidan muy estrechamente con la frecuencia de precesión del muón en la condición experimental específica pueden causar un movimiento de espín muónico significativo.
Referencias
- ^ Pifer, AE; Bowen, T .; Kendall, KR (1976). "Un haz μ + de alta densidad de frenado". Instrumentos y métodos nucleares . 135 (1): 39–46. Código bibliográfico : 1976NucIM.135 ... 39P . doi : 10.1016 / 0029-554X (76) 90823-5 .
- ^ Bowen, T. (1985). "El haz de muones de superficie". Phys. Hoy . 38 (7): 22. Código Bibliográfico : 1985PhT .... 38g..22B . doi : 10.1063 / 1.881018 .
- ^ Harshman, DR; et al. (1986). "Observación de la emisión de µ + de baja energía de superficies sólidas". Cartas de revisión física . 56 (26): 2850–2853. doi : 10.1103 / PhysRevLett.56.2850 . PMID 10033111 .
- ^ Harshman, DR; Mills, AP, Jr .; Beveridge, JL; Kendall, KR; Morris, GD; Senba, M .; Warren, JB; Rupaal, AS; Turner, JH (1987). "Generación de muones positivos lentos a partir de moderadores sólidos de gases raros". Physical Review B . 36 (16): 8850–8853 (R). doi : 10.1103 / PhysRevB.36.8850 . PMID 9942727 .
enlaces externos
- Literatura básica µSR
- Iniciativa de infraestructura integrada para la dispersión de neutrones y la espectroscopia de muones (NMI3)
- La actividad de investigación conjunta NMI3 Muon
- Video - ¿Qué son los muones y cómo se producen?