La diffusion inélastique des neutrons sur monocristal. Le spectromètre 3-axes
B. Hennion
2010
JDN 16 – Diffusion Inélastique des Neutrons pour l'Etude des Excitations dans la Matiére Condensée
unpublished
Le spectromètre 3-axes est destiné aux mesures de diffusion inélastique des neutrons sur monocristal. Le principe de cette technique développée près des réacteurs à flux continu, son évolution et son utilisation sont présentés. Les effets de résolution d'appareil sont précisés et les méthodes d'analyse indiquées. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-Noncommercial License 3.0, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction
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... in any noncommercial medium, provided the original work is properly cited. 358 Collection SFN La diffusion inélastique des neutrons est un des outils qui permettent d'obtenir des résultats dans ces domaines, car la section efficace de diffusion est directement reliée à la susceptibilité généralisée, de réseau pour les phonons et de spin (pour les magnons). Par contre elle ne fournit aucun accès direct à la susceptibilité électronique. Pour les études sur monocristaux, où ces susceptibilités s'appuient sur les courbes de dispersion = f ( q) des excitations élémentaires, l'instrument de base est le spectromètre 3-axes. Nous allons, dans les sections suivantes, décrire le principe de la mesure, puis faire une revue de détail des paramètres instrumentaux qu'il faut adapter à l'objectif visé et enfin évoquer les techniques d'analyse des résultats. PRINCIPE DE LA MESURE SUR SPECTROMÈTRE 3-AXES La mesure est décrite dans l'espace réciproque associé à la structure cristalline de l'échantillon. Lorsqu'on envoie des neutrons sur un échantillon, ils sont diffusés en fonction de la section efficace de diffusion élastique (pas de changement d'énergie) et inélastique (changement d'énergie) des neutrons. Pour avoir une détermination précise des processus de diffusion, on calibre les neutrons avant et après l'échantillon. Pour cela, on interpose sur le trajet des neutrons des monocristaux en position de réflexion de Bragg pour une longueur d'onde donnée i pour le monochromateur, f pour l'analyseur, soit en vecteur d'onde: k i = 2 / i et k f = 2 / f . Si on met un détecteur après l'analyseur, les neutrons détectés auront échangé du moment et de l'énergie avec l'échantillon, en fonction du bilan (conservation du moment et de l'énergie) : avec une intensité fonction de S( Q, ), la fonction de diffusion des neutrons, elle même directement reliée à la partie imaginaire des susceptibilités de réseau et de spin du système. Si l'échantillon possède la symétrie de translation, on peut décomposer le transfert de moment en Q = + q, où q appartient à la première zone de Brillouin. L'élément clé pour concevoir la mesure est: à une position du spectromètre, échantillon compris, correspond un couple Q, soit q, dans un monocristal où Q = + q. Bien sûr, la réalité est un peu plus complexe. . . Nous avons implicitement fait référence à la diffusion cohérente des neutrons, mais il existe aussi une diffusion incohérente dont l'intensité dépend de la composition isotopique de l'échantillon et éventuellement de son désordre structural. Cette diffusion se traduit par un bruit de fond, généralement modulé en comme la densité d'états des excitations et dépendant de Q en fonction de son origine. Dans certains cas, la diffusion incohérente est tellement forte (cas de l'hydrogène) qu'une substitution isotopique est pratiquement obligatoire pour obtenir un résultat. Pour un système ordonné, les propriétés dynamiques sont reliées aux excitations élémentaires, qui correspondent à des relations = f ( q). Une mesure sur un spectromètre 3-axes consiste à définir une trajectoire dans l'espace ( Q, ), qu'on parcourt pas à pas, en comptant à nombre de neutrons incidents constant (défini par un moniteur). Si la trajectoire coupe une des lignes = f ( q), on observera un pic d'intensité. On peut ainsi reconstituer point à point la loi = f ( q). L'intensité mesurée est directement reliée à la partie imaginaire de la susceptibilité.
doi:10.1051/sfn:2010005
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