Neutronenstreuung

Als Neutronenstreuung werden verschiedene experimentelle Methoden zur Untersuchung kondensierter Materie bezeichnet, die auf der Streuung von langsamen oder thermischen Neutronen an einem Probekörper (engl.: Target) basieren. Neutronen wechselwirken mit Atomkernen und mit den magnetischen Momenten von Elektronen, weshalb sie zur Untersuchung der Struktur, der Dynamik sowie der magnetischen Ordnung kondensierter Materie auf atomarem Maßstab geeignet sind. Bei der Neutronenstreuung wird zwischen inelastischer, elastischer und quasielastischer Streuung unterschieden. Die inelastische Streuung ist mit der An- oder Abregung eines Phonons, eines Magnons oder eines anderen internen Freiheitsgrades des Targets verbunden. Durch Messung der Änderung der kinetischen Energie des Neutrons lässt sich die Energie der Anregung ermitteln. Bei elastischer Streuung ist die Wechselwirkung mit keiner Energieübertragung verbunden. Da die De-Broglie-Wellenlänge thermischer Neutronen in der Größenordnung eines Atomdurchmessers liegt, treten bei der elastischen Streuung von Neutronen an kondensierter Materie Interferenzeffekte auf, die für Strukturuntersuchungen ausgenutzt werden können. Diese Untersuchungsmethode wird häufig auch als Neutronenbeugung bezeichnet. Eine dritte Methode ist die quasielastische Streuung, die zur Untersuchung von Diffusionsmechanismen auf atomarer Ebene verwendet wird.

Anwendungen

Da Neutronen keine elektrische Ladung besitzen, dringen sie recht tief in Materie ein: die freie Weglänge thermischer Neutronen in kondensierter Materie ist von der Größenordnung Millimeter (der genaue Wert hängt von der Dichte und Zusammensetzung der Probe ab). Deshalb ist Neutronenstreuung geeignet, Volumeneigenschaften von Materie zu untersuchen – im Gegensatz etwa zur Elektronenbeugung, die auf oberflächennahe Bereiche beschränkt ist.

Wie alle Teilchen haben Neutronen nicht nur Teilchen-, sondern auch Welleneigenschaften. Die Wellenlänge langsamer Neutronen beträgt ungefähr 0,1 bis 1 nm und ist somit von der gleichen Größenordnung wie Atomabstände in Molekülen und Festkörpern. Ähnlich wie bei der Beugung von Licht an einem Gitter kommt es auch bei der Streuung von Neutronen an einer regelmäßig aufgebauten Probe zu wellenmechanischen Interferenzen; die Winkelverteilung der gestreuten Neutronen besitzt die Regelmäßigkeit eines Beugungsbildes, aus dem auf die atomare Struktur der untersuchten Probe zurückgeschlossen werden kann.

Die bis hierhin genannten Eigenschaften – elektrische Neutralität und Wellenlänge im nm-Bereich – haben Neutronen mit der Röntgenstrahlung gemeinsam. Für Strukturuntersuchungen setzt man daher in erster Linie die grundsätzlich ähnliche, praktisch aber einfachere und billigere Röntgenbeugung ein. Neutronenstreuung ist jedoch von Vorteil, wenn man die folgenden weiteren Eigenschaften des Neutrons ausnutzen kann:

• Der Streuquerschnitt von Neutronen hängt von Eigenschaften der streuenden Atomkerne ab und variiert deshalb von Nuklid zu Nuklid und sogar von Isotop zu Isotop. Im Gegensatz dazu wird Röntgenstrahlung vor allem von Elektronen gestreut, weshalb der Streuquerschnitt mit der Ordnungszahl ansteigt und beispielsweise Wasserstoff für Röntgenbeugung beinahe unsichtbar ist. Insbesondere bei der Untersuchung biologischer Proben wird Neutronenstreuung komplementär (ergänzend) zur Röntgenbeugung eingesetzt, um die Position von Wasserstoffatomen zu bestimmen. Durch Isotopenaustausch kann die Aussagekraft von Neutronenstreuexperimenten gezielt gesteigert werden.

• Neutronen besitzen ein magnetisches Moment und werden daher an magnetischen Gittern gestreut. Neutronenstreuung ist daher eine wichtige Methode zur Untersuchung magnetischer Strukturen.

• Die Energie langsamer Neutronen beträgt wenige meV und ist daher von gleicher Größenordnung wie die Anregungsenergie von Phononen und Magnonen. Inelastische Neutronenstreuung ist daher die Standardmethode zur Vermessung der Dispersion von Phononen und Magnonen.

Bekannte Forschungseinrichtungen

Als Neutronenquelle benötigt man einen Forschungsreaktor oder einen Teilchenbeschleuniger mit Spallationstarget. Deshalb ist Neutronenstreuung nur an bestimmten Großforschungseinrichtungen möglich. Die bedeutendsten Forschungszentren für Neutronenstreuung sind

• In Europa
  • das Institut Laue-Langevin in Grenoble (gegründet 1967, Reaktorbetrieb seit 1972)
  • das Laboratoire Léon Brillouin im Centre d'Etudes nucléaires de Saclay bei Paris
  • die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz in Garching (Reaktorbetrieb seit 2004)
  • das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie in Berlin
  • der Forschungsreaktor Geesthacht am GKSS-Forschungszentrum (bis 2010)
  • der Forschungsreaktor Jülich II im Forschungszentrum Jülich bei Jülich (bis Mai 2006)
  • das Paul Scherrer Institut in Villigen AG in der Schweiz (Spallationsquelle SINQ)
  • das Rutherford-Appleton Laboratory bei Oxford (Spallationsquelle ISIS)
  • das Budapest Neutron Center am Atomic Energy Research Institute in Budapest in Ungarn

• In Amerika
  • das NIST in Gaithersburgh MD bei Washington DC
  • der High Flux Isotope Reactor und die Spallation Neutron Source am Oak Ridge National Laboratory nahe Knoxville, Tennessee
  • der High Flux Beam Reactor und der Brookhaven Graphite Research Reactor am Brookhaven National Laboratory, historisch bedeutend, inzwischen beide stillgelegt
  • die Intense Pulsed Neutron Source am Argonne National Laboratory in Argonne, Illinois (Spallationsquelle, Betrieb seit 1981)
  • das Lujan Neutron Scattering Center am Los Alamos National Laboratory in Los Alamos, New Mexico (Spallationsquelle)
  • Chalk River (Kanada), historisch bedeutend (Bertram Brockhouse)

• In Australien
  • Die Australian Nuclear Science and Technology Organisation betrieb den historischen Reaktor HIFAR und brachte 2007 eine der modernsten Neutronenstreueinrichtungen OPAL in Betrieb

• In Russland
  • der gepulste Reaktor IBR-2 am Frank Laboratory of Neutron Physics, Joint Institute for Nuclear Research in Dubna bei Moskau (Reaktorbetrieb seit 1984)
  • der WWR-M-Reaktor am Petersburg Nuclear Physics Institute in Gatchina bei St. Petersburg (Reaktorbetrieb seit 1959, immer wieder erneuert)

Geschichte

Die Neutronenstreuung wurde in den 1950er Jahren als physikalische Untersuchungsmethode etabliert. Für ihre Pionierleistungen erhielten Clifford Shull und Bertram Brockhouse 1994 den Physiknobelpreis. Sie reihen sich damit in die Reihe der Nobelpreisträger mit der längsten Lücke zwischen Entdeckung (1946) und Verleihung des Nobelpreises (1994) ein. Unter Heinz Maier-Leibnitz wurde am kleinen Forschungsreaktor München in Garching bei München der Neutronenleiter erfunden. Maier-Leibnitz leitete auch den Bau des Hochflussreaktors in Grenoble. Spätestens seit den 1990er Jahren wurden weltweit viele kleine Forschungsreaktoren stillgelegt; die Neutronenstreuung konzentriert sich auf einige wenige große Institute.

Literatur

• Clifford Shull: Early development of neutron scattering. Rev. Mod. Phys. 67, 1995, Seiten 753–757.