Magnetisches Moment

Mit dem magnetischen Moment von Neutronen lassen sich magnetische Eigenschaften von Materialien auf der atomaren Skala untersuchen. Wenn man die Anordnung der magnetischen Momente in einem Material gezielt zu beeinflussen lernt, kann man damit Verfahren entwickeln, um mithilfe des Magnetismus Informationen zu speichern.

Obwohl sie elektrisch neutral sind, tragen Neutronen ein magnetisches Moment: Sie verhalten sich wie winzige Kompassnadeln, die in einem äußeren Magnetfeld abgelenkt werden. Treffen die Neutronen auf eine zu untersuchende Probe, ändert sich die Richtung der Kompassnadel in den Neutronen, wenn die Atome in der Probe ein magnetisches Moment tragen. Die Änderung zwischen der Stellung der Kompassnadeln in den Neutronen vor und nach der Probe ist dann ein Maß dafür, wie magnetisch die Probe ist.

Beispiel für Neutronen-Forschung am Instrument MIRA im Bereich Magnetismus:  Neue magnetische Ordnung entdeckt: Wirbelfäden in der Elektronensuppe (Skyrmion Lattice in a Chiral Magnet; S. Mühlbauer, B. Binz, F. Jonietz, C. Pfleiderer, A. Rosch, A. Neubauer, R. Georgii, P. Böni
Science, February 13, 2009, Vol 323, Issue 5916,
DOI: 10.1126/science.1166767)

Günstige Wellenlänge

Die Wellenlänge von freien Neutronen ist typischerweise etwa so groß wie der Abstand zweier Atome in einem festen Stoff. Ähnlich wie Wasserwellen an einem Hindernis werden Neutronenwellen an regelmäßig angeordneten Atomen einer Probe gebeugt. Der Winkel, unter dem die Neutronen gebeugt werden, ist ein empfindliches Maß dafür, wie weit die Atome voneinander entfernt sind. Neutronen teilen uns also mit, wo die Atome sitzen.

Beispiel für das Bestimmen der Atomanordnung:
Am Strukturpulverdiffraktometer SPODI (Structure POwder DIffractometer) untersuchen Forscher der TU Darmstadt und des Forschungszentrums Karlsruhe Wasserstoffspeicher. Das sind Hydride (z.B. NaAlH₄), die bei geringem Eigengewicht große Mengen an Wasserstoff binden können. Sie werden als mögliche Träger von Wasserstoff für den Antrieb von Fahrzeugen untersucht. Der gebundene Wasserstoff muss auch wieder herauslösbar sein. Deshalb wollen die Wissenschaftler herausfinden, wie sich die Atomstruktur der Hydride mit und ohne Wasserstoff ändert.

Hohe Eindringtiefe

Neutronen dringen viele Zentimeter tief in Materialien ein. Zehn Zentimeter Aluminium etwa lassen fast zwei Drittel eines Strahls langsamer Neutronen hindurch, zehn Zentimeter Blei sogar vier Fünftel. Röntgenstrahlen hingegen dringen nur wenige Mikrometer bis Millimeter tief in Metalle ein. Deshalb können Neutronen tief im Inneren von Bauteilen die Atomabstände messen und so innere Spannungen anzeigen, wie beispielsweise am Instrument STRESS-SPEC.

Beispiel für die hohe Eindringtiefe: Physiker der TU München weisen innere Spannungen in Verdichtern nach

Wie die Atome sich bewegen

Neben der Anordnung der Atome in einem Stoff ist auch die Bewegung von Atomen interessant. Wenn Neutronen auf sich bewegende Atome treffen, ändern sie nicht nur ihre Richtung, sondern auch ihre Geschwindigkeit. Das Instrument TOFTOF (Time Of Flight Time Of Flight) misst bei einem solchen Experiment die Neutronenintensität in Abhängigkeit von der Änderung der Neutronengeschwindigkeit.

Beispiel für die Untersuchung von Bewegung in Stoffen: Gemeinsam fließen statt einsam hüpfen. Moleküle in einer Zellmembran wurden am Instrument TOFTOF untersucht. Dabei fand man im Gegensatz zu alten Theorien, dass die Moleküle sich gemeinsam flussartig bewegen und nicht einzeln in Leerstellen hüpfen.