La espectroscopia de espín de muones , también conocida como μSR , es una técnica experimental basada en la implantación en la materia de muones polarizados por espín 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 manera muy similar a otras técnicas de resonancia magnética [a] , como la resonancia de espín electrónico (ESR o EPR) y, más de cerca, la resonancia magnética nuclear (RMN).
La espectroscopia de espín de muones es una técnica experimental atómica, molecular y de materia condensada que aprovecha métodos de detección nuclear. En analogía con las siglas de las espectroscopias anteriormente conocidas NMR y ESR , la espectroscopia de espín de muones 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 giro de sonda.
En términos más generales, la espectroscopia de espín de muones 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 entornos locales, debido al corto rango efectivo de interacciones de los muones con la materia, y la ventana de tiempo característica (10 −13 – 10 −5 s) de los procesos dinámicos en los ámbitos atómico, molecular y medios condensados. El paralelo más cercano a μSR es la "RMN pulsada", en la que se observa una polarización nuclear transversal dependiente del tiempo o la llamada " desintegración por inducción libre " de la polarización nuclear. Sin embargo, una diferencia clave es que en μSR se utiliza un espín específicamente implantado (el del muón) y no depende de 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 no hay dispersión. 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. Sólo 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, dado que un muón impacta cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre 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 de muones por segundo por centímetro cuadrado. Estos flujos sólo pueden obtenerse en aceleradores de partículas de alta energía que se han desarrollado durante los últimos 50 años.
La colisión de un haz de protones acelerado (energía típica de 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), se forman muones positivos ( ) a través de la desintegración de dos cuerpos :
La violación de la paridad en las interacciones débiles implica que solo existen neutrinos zurdos, con su giro antiparalelo a su momento lineal (de la misma manera, en la naturaleza solo se encuentran antineutrinos diestros). Dado que el pión no tiene espín, tanto el neutrino como el son expulsados con espín antiparalelo a su impulso en el marco de reposo del pión. Ésta es la clave para proporcionar haces de muones polarizados por espín. Según el valor del momento del pión, hay diferentes tipos de haces disponibles para mediciones de μSR.
Los haces de muones se clasifican en tres tipos según la energía de los muones que se producen: haces de muones de alta energía, de superficie o "Arizona" y ultralentos.
Los haces de muones de alta energía se forman a partir de piones que escapan del objetivo de producción a altas energías. Se recogen en un cierto ángulo sólido mediante imanes cuadrupolares y se dirigen a una sección de desintegración que consta de un largo solenoide superconductor con un campo de varios teslas. Si el impulso de los piones no es demasiado alto, una gran fracción de los piones habrá decaído 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 ~40-50MeV. 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 muestra. Estos haces también se utilizan para estudiar muestras dentro de recipientes, por ejemplo, muestras dentro de celdas de presión. Estos haces de muones están disponibles en PSI , TRIUMF , J-PARC y RIKEN-RAL.
El segundo tipo de haz de muones suele denominarse haz de superficie o de Arizona (recordando el trabajo pionero de Pifer et al. [1] [2] de la Universidad de Arizona ). En estos haces, los muones surgen de piones que se descomponen en reposo en el interior pero cerca de la superficie del objetivo de producción. Estos muones están 100% polarizados, 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/ cm2 . 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 and Muon Source y RIKEN-RAL.
Se pueden obtener haces de muones positivos de energía aún más baja ( muones ultra lentos 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 prohibida grande . Esta técnica fue iniciada por investigadores de las instalaciones del ciclotrón TRIUMF en Vancouver, BC , Canadá . Fue bautizado con el acrónimo μSOL (muon separator on-line) e inicialmente empleó LiF como sólido moderador. [3] El mismo artículo de 1986 también informó la observación de iones muonio negativos (es decir, Mu − o μ + e − e − ) en el vacío. En 1987, la lenta tasa de producción de μ + se incrementó 100 veces utilizando moderadores sólidos de gases raros de película delgada, produciendo un flujo utilizable de muones positivos de baja energía. [4] Esta técnica de producción fue adoptada posteriormente por PSI para su instalación de haz de muones positivo de baja energía. El rango de energía sintonizable de estos haces de muones corresponde a profundidades de implantación en sólidos desde 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 donde se dispone regularmente de un haz de muones de baja energía. También se han llevado a cabo avances técnicos en RIKEN-RAL, pero con una tasa de muones de baja energía muy reducida. J-PARC está proyectando el desarrollo de un haz de muones de alta intensidad y baja energía. [ ¿cuando? ]
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 las 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 temporal 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 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 experimentos de μSR.
En las fuentes de muones pulsados , los protones que alcanzan el objetivo de producción se agrupan en pulsos cortos, intensos y muy separados que proporcionan una estructura temporal similar en el haz de muones secundario. Una ventaja de las fuentes de muones pulsados es que la tasa de eventos sólo está limitada por la construcción del detector. Además, los detectores se activan sólo después del pulso de muón entrante, lo que reduce considerablemente los recuentos de fondo accidentales. La virtual ausencia de fondo permite ampliar la ventana de tiempo para mediciones hasta aproximadamente diez veces la vida media de los muones. El principal inconveniente es que la anchura del pulso de muón limita la resolución temporal. ISIS Neutron and Muon Source y J-PARC son las dos fuentes de muones pulsados disponibles para experimentos μSR.
Los muones se implantan en la muestra de interés donde pierden energía muy rápidamente. Afortunadamente, este proceso de desaceleración se produce de tal manera que no pone en peligro la 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 típica μSR (hasta 20 μs), y por otro lado, todos los procesos involucrados durante la desaceleración son culombicos ( ionización de átomos, dispersión de electrones , captura de electrones ) en origen y no interactúan con el espín del muón, de modo 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 químicamente unido a un electrón desapareado es notablemente diferente de la de todos los demás estados del muón, lo que motiva la distinción histórica entre estados paramagnéticos y diamagnéticos . Tenga en cuenta que muchos estados de muones diamagnéticos realmente se comportan como centros paramagnéticos, según la definición estándar de paramagneto . Por ejemplo, en la mayoría de las muestras metálicas, que son paramagnetos de Pauli , la carga positiva del muón está colectivamente protegida por una nube de electrones de conducción . Así, en los metales, el muón no está unido a un solo electrón, de ahí que se encuentre en el llamado estado diamagnético y se comporte como un muón libre. En aisladores o semiconductores no puede tener lugar un apantallamiento colectivo y el muón normalmente capta un electrón y forma 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 .
La desintegración del muón positivo en un positrón y dos neutrinos se produce mediante el 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 momento de la desintegración. La probabilidad de emisión de positrones viene dada por
donde es el ángulo entre la trayectoria del positrón y el giro μ + , y es 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 promedio se mide sobre un conjunto estadístico de muones implantados y depende de otros parámetros experimentales, como la polarización del espín del haz , cercana a uno, como ya se mencionó. Teóricamente se obtiene = 1/3 si todos los positrones emitidos se detectan con la misma eficiencia, independientemente de su energía. En la práctica se obtienen habitualmente valores de ≈ 0,25.
El movimiento de giro del muón se puede medir en una escala de tiempo dictada por la desintegración del muón , es decir , unas cuantas 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 manifiesta 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 que decrece exponencialmente en función del tiempo t transcurrido desde la implantación, según
con para el detector que mira hacia y desde la flecha de giro, respectivamente. Teniendo en cuenta que la enorme polarización del espín del muón está completamente fuera del equilibrio térmico, una relajación dinámica hacia el estado no polarizado de equilibrio suele aparecer en la tasa de conteo, como un factor de desintegración adicional frente al parámetro de asimetría experimental, A. Un campo magnético paralelo a la dirección inicial de giro del muón prueba la tasa de relajación dinámica en función de la energía adicional de Zeeman del muón , sin introducir una dinámica de giro 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 cuasiestático (es decir, estático en la escala de tiempo del muón) de distribución de campo en el sitio del muón. Los campos cuasiestáticos internos pueden aparecer espontáneamente, no inducidos por la respuesta magnética de la muestra a un campo externo. Son producidos por momentos magnéticos nucleares desordenados o, 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 que precesan coherentemente alrededor del campo magnético externo del módulo , perpendicular al eje del haz, lo que hace que el desequilibrio del conteo oscile a la frecuencia de Larmor correspondiente entre los mismos dos detectores, según
Dado que la frecuencia de Larmor es , con una relación giromagnética Mrad(sT) −1 , el espectro de frecuencia obtenido mediante este arreglo experimental proporciona una medida directa de la distribución de intensidad del campo magnético interno. La distribución produce un factor de caída adicional de la asimetría experimental A. Este método generalmente se denomina μSR de campo transversal (TF).
Un caso más general es cuando la dirección de giro inicial 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 un 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.
La rotación y relajación del giro de los muones se realizan principalmente con muones positivos. Son muy adecuados para el estudio de campos magnéticos a escala atómica dentro de la materia, como los producidos por diversos tipos de magnetismo y/o superconductividad que se encuentran en compuestos que se encuentran en la naturaleza o producidos artificialmente por la ciencia de materiales moderna .
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 de la brecha superconductora. La espectroscopia de espín de muones proporciona una forma de medir la profundidad de penetración y, por lo tanto, 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 la investigación del mayor efecto isotópico cinético 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 análogo del hidrógeno en semiconductores , donde el hidrógeno es una de las impurezas más ubicuas.
μSR requiere un acelerador de partículas para la producción de un haz de muones. Esto se logra actualmente en unas pocas instalaciones de gran escala en el mundo: la fuente continua CMMS en TRIUMF en Vancouver, Canadá; la fuente continua SμS del Paul Scherrer Institut (PSI) en Villigen, Suiza; la fuente de neutrones y muones ISIS y las fuentes pulsadas RIKEN-RAL en el Laboratorio Rutherford Appleton en Chilton (Reino Unido); y las instalaciones J-PARC en Tokai, Japón, donde se está construyendo una nueva fuente pulsada para reemplazar la de KEK en Tsukuba, Japón. Los haces de muones también están disponibles en el Laboratorio de Problemas Nucleares del 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, laboratorios gubernamentales y la industria que tengan interés en los objetivos de la sociedad.
