La espectroscopia de eco de espín de neutrones es una técnica de dispersión de neutrones inelástica inventada por Ferenc Mezei en la década de 1970 y desarrollada en colaboración con John Hayter. [1] En reconocimiento a su trabajo y en otros ámbitos, Mezei recibió el primer Premio Walter Haelg en 1999.
En resonancia magnética , un eco de espín es el reenfoque de la magnetización del espín mediante un pulso de radiación electromagnética resonante . El espectrómetro de eco de espín posee una resolución energética extremadamente alta (aproximadamente una parte en 100.000). Además, mide la correlación densidad-densidad (o función de dispersión intermedia ) F(Q,t) en función de la transferencia de impulso Q y el tiempo. Otras técnicas de dispersión de neutrones miden el factor de estructura dinámica S(Q,ω), que puede convertirse en F(Q,t) mediante una transformada de Fourier , lo que puede resultar difícil en la práctica. Para características inelásticas débiles, S(Q,ω) es más adecuado; sin embargo, para relajaciones (lentas) la representación natural viene dada por F(Q,t). Debido a su extraordinaria alta resolución de energía efectiva en comparación con otras técnicas de dispersión de neutrones, NSE es un método ideal para observar [2] modos dinámicos internos sobreamortiguados (relajaciones) y otros procesos de difusión en materiales como mezclas de polímeros , cadenas de alcanos o microemulsiones . El extraordinario poder de la espectrometría NSE [3] se demostró aún más recientemente [4] [5] mediante la observación directa de la dinámica de proteínas internas acopladas en las proteínas NHERF1 y Taq polimerasa y la unión adherente , [6] permitiendo la visualización directa de la nanomaquinaria de proteínas. en movimiento. Existen varias revisiones elementales de la técnica. [7] [8] [9] [10] [11]
El eco de espín de neutrones es una técnica de tiempo de vuelo . En cuanto a los espines de neutrones, existe una fuerte analogía con el llamado eco de Hahn , [12] muy conocido en el campo de la RMN . En ambos casos, la pérdida de polarización (magnetización) debida al desfase de los espines en el tiempo se restablece mediante una operación efectiva de inversión del tiempo, que conduce a una restitución de la polarización (refase). En RMN, el desfase se produce debido a la variación de los campos locales en las posiciones de los núcleos; en NSE, el desfase se debe a diferentes velocidades de neutrones en el haz de neutrones entrante. La precesión de Larmor del espín de neutrones en una zona de preparación con un campo magnético delante de la muestra codifica las velocidades individuales de los neutrones en el haz en ángulos de precesión. Cerca de la muestra la inversión del tiempo se realiza mediante un llamado flipper. Sigue una zona de decodificación simétrica tal que en su extremo el ángulo de precesión acumulado en la zona de preparación se compensa exactamente (siempre que la muestra no haya cambiado la velocidad del neutrón, es decir, dispersión elástica), todos los espines se refasan para formar el "eco de espín". Lo ideal es que se restablezca la polarización total. Este efecto no depende de la velocidad/energía/longitud de onda del neutrón entrante. Si la dispersión en la muestra no es elástica pero cambia la velocidad del neutrón, el refase será incompleto y se producirá una pérdida de polarización final, que depende de la distribución de las diferencias en el tiempo que los neutrones necesitan para volar a través de la simétrica primero ( codificación) y segundas zonas de precesión (decodificación). Las diferencias de tiempo se producen debido a un cambio de velocidad adquirido por dispersión no elástica en la muestra. La distribución de estas diferencias de tiempo es proporcional (en la aproximación de linealización que es apropiada para espectroscopia cuasi elástica de alta resolución) a la parte espectral de la función de dispersión S(Q,ω). El efecto sobre la polarización del haz medido es proporcional a la transformada cos-Fourier de la función espectral, la función de dispersión intermedia F(Q,t). El parámetro de tiempo depende de la longitud de onda del neutrón y del factor que conecta el ángulo de precesión con la velocidad (recíproca), que puede controlarse, por ejemplo, estableciendo un determinado campo magnético en las zonas de preparación y decodificación. Luego se pueden realizar exploraciones de t variando el campo magnético.
Es importante señalar que todas las manipulaciones de espín son sólo un medio para detectar cambios de velocidad del neutrón, que influyen, por razones técnicas, en términos de una transformada de Fourier de la función espectral en la intensidad medida. Los cambios de velocidad de los neutrones transmiten la información física que está disponible mediante NSE, es decir
dónde y .
B denota la intensidad del campo de precesión, λ la longitud de onda (promedio) de los neutrones y Δv el cambio de velocidad de los neutrones al dispersarse en la muestra.
La razón principal para usar NSE es que por los medios anteriores puede alcanzar tiempos de Fourier de hasta muchos 100 ns, lo que corresponde a resoluciones de energía en el rango neV. La aproximación más cercana a esta resolución por parte de un tipo de instrumento espectroscópico de neutrones, concretamente el espectrómetro de retrodispersión (BSS), está en el rango de 0,5 a 1 μeV. El truco del espín-eco permite utilizar un intenso haz de neutrones con una distribución de longitud de onda del 10% o más y al mismo tiempo ser sensible a cambios de velocidad en el rango de menos de 10 −4 .
Nota: las explicaciones anteriores asumen la configuración NSE genérica, tal como la utilizó por primera vez el instrumento IN11 en el Institut Laue–Langevin (ILL). Son posibles otros enfoques como el eco de espín de resonancia, NRSE con un campo de CC concentrado y un campo de RF en las aletas al final de la preparación y zonas de decodificación que luego están sin campo magnético (campo cero). En principio, estos enfoques son equivalentes en cuanto a la conexión de la señal de intensidad final con la función de dispersión intermedia. Debido a dificultades técnicas hasta ahora no han alcanzado el mismo nivel de rendimiento que los tipos NSE genéricos (IN11). [ cita necesaria ]
En la investigación de materia blanda, la estructura de los objetos macromoleculares a menudo se investiga mediante dispersión de neutrones de ángulo pequeño , SANS. El intercambio de hidrógeno con deuterio en algunas de las moléculas crea un contraste disperso entre especies químicas incluso iguales. El patrón de difracción SANS, si se interpreta en el espacio real, corresponde a una imagen instantánea de la disposición molecular. Los instrumentos de eco de espín de neutrones pueden analizar la ampliación inelástica de la intensidad SANS y así analizar el movimiento de los objetos macromoleculares. [13] Una analogía burda sería una foto con un tiempo de apertura determinado en lugar de una instantánea tipo SANS. Entonces podemos analizar el cambio en la disposición de las moléculas en función del tiempo. El tiempo de apertura corresponde al tiempo de Fourier que depende de la configuración del espectrómetro NSE, es proporcional al campo magnético (integral) y a la tercera potencia de la longitud de onda del neutrón. Están disponibles valores de hasta varios cientos de nanosegundos. Tenga en cuenta que la resolución espacial del experimento de dispersión está en el rango nanométrico, lo que significa que un rango de tiempo de, por ejemplo, 100 ns corresponde a velocidades efectivas de movimiento molecular de 1 nm/100 ns = 1 cm/s. Esto se puede comparar con la velocidad típica de los neutrones de 200...1000 m/s utilizada en este tipo de experimentos.
Muchos estudios inelásticos que utilizan espectrómetros de tiempo de vuelo normal (TOF) o de retrodispersión se basan en la enorme sección transversal incoherente de dispersión de neutrones de los protones. La señal de dispersión está dominada por la contribución correspondiente, que representa la función de autocorrelación (media) (en el tiempo) de los protones.
Para NSE, la dispersión incoherente de espín tiene la desventaja de que invierte los espines de los neutrones durante la dispersión con una probabilidad de 2/3. Convirtiendo así 2/3 de la intensidad de dispersión en fondo "no polarizado" y poniendo un factor de −1/3 delante de la contribución integral de cos-Fourier perteneciente a la intensidad incoherente. Esta señal se resta de la señal de eco coherente. El resultado puede ser una combinación complicada que no puede descomponerse si sólo se emplea NSE. Sin embargo, en casos puros, es decir, cuando hay una contribución de intensidad abrumadora debido a los protones, se puede utilizar NSE para medir su espectro incoherente.
La situación de intensidad de NSE (por ejemplo, muestras de materia blanda) es la misma que en la dispersión de neutrones de ángulo pequeño ( SANS ). Los objetos moleculares con contraste de dispersión coherente con una transferencia de momento baja ( Q ) muestran una dispersión coherente a una intensidad considerablemente mayor que la dispersión de fondo incoherente. Este efecto se debilita a medida que Q aumenta. Para los sistemas que contienen hidrógeno, el contraste requiere la presencia de algunos protones, lo que necesariamente añade cierta cantidad de contribución incoherente a la intensidad de la dispersión. Además, incluso los deuterones añaden una intensidad de dispersión débil e incoherente. En SANS, estas intensidades independientes de Q generalmente se consideran de fondo y se restan. En experimentos NSE están presentes y pueden convertirse en una mezcla más significativa a medida que aumenta Q.
Las muestras completamente protonadas permiten mediciones incoherentes exitosas pero a intensidades del orden del nivel de fondo SANS. [14] Nota: Esta interferencia con la manipulación del espín de la técnica NSE ocurre sólo con dispersión incoherente del espín . La dispersión isotópica incoherente produce una señal NSE "normal".
IN11 ( ILL , Grenoble, Francia)
IN15 ( ILL , Grenoble, Francia)
NL2a J-NSE "PHOENIX" (JCNS, Juelich, Alemania, organizado por FRM II Munich , Munich, Alemania)
NL5-S RESEDA ( FRM II Múnich , Múnich, Alemania)
V5/SPAN ( Instituto Hahn-Meitner , Berlín, Alemania)
C2-3-1 iNSE (JRR-3, Tokai, Japón)
BL06 VIN-ROSE (MLF, J-PARC, Tokai, Japón)
BL-15 NSE ( SNS , ORNL , Oak Ridge, EE. UU.)
NG5-NSE ( NCNR , NIST , Gaithersburg, EE. UU.)
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