極化中子

極化中子是指其自旋相對於空間中某個特定方向具有一個擇優取向，通常是外磁場的方向。極化中子在核物理中具有非常廣泛的套用。如今，極化中子散射是一種快速發展的實驗方法，並在凝聚態物質研究的許多領域中取得套用。

基本概念與解釋

中子具有1/2的自旋，在一個外磁場H中其自旋取向就有兩個可能的方向：平行或者反平行於外磁場方向。假設一束極化中子中包含中子總數為N，其中自旋取向沿外磁場方向的中子為N₊，自旋取向反平行與外磁場方向的中子為N_-，那么極化率p可用下式表述：p = (N₊ – N_–)/(N₊ + N_–)。考慮了極化效應的彈性中子散射理論包含兩個主要方程，以完整描述散射過程。第一個方程給出了與入射中子束極化率P_i有關的中子截面總和；第二個則提供了散射後的中子束極化率P_f。根據第一個主方程，當使用一束非極化（P_i = 0）的中子束時，中子截面僅依賴於化學（或核）與磁結構因子；而對於一束完全極化（|P_i| = 1）的中子束，存在兩個額外的項對散射有貢獻，分別稱為磁-核相干項與手性項。從第二個主方程，純的核散射使中子束的極化率保持不變；而另一方面可看出，散射束的極化可由兩個途徑獲得，即在核-磁混合布拉格反射面上或從一個螺旋面磁結構進行散射。

簡要發展歷史

1932年，James Chadwick發現中子；

1936年，Felix Bloch第一次提出極化中子的一種方法，即將一束中子穿過飽和磁化後的鐵板；

1937年，Julian Seymour Schwinger建立通過鐵磁體實現中子極化的理論；

1938年，Otto Robert Frisch等使中子束通過鐵實現部分極化；

1940年，Luis Walter Alvarez與Felix Bloch通過極化分析確定中子的磁矩；

1937至1941年，O. Halpern與Mark H. Johnson建立了磁性中子散射（包括中子極化）理論；

1951年，D. J. Hughes與M. T. Burgy用極化鏡進行實驗並給出了中子的μ_B相互作用（磁散射）；Clifford G. Shull等用Fe₃O₄、Co₉₂Fe₈磁鐵礦作為極化晶體；

1959年，R. Nathans等進行了Ni與Fe磁形狀因子的第一次極化束測試；

1963年，M. Blume與S.V. Maleyev等建立了中子極化分析的通用理論，他們分別推演了考慮極化效應的彈性與非彈性中子散射理論；

1969年，R. M. Moon、T. Riste與 W. C. Koehler第一次實驗實現熱中子散射的極化分析。

極化束的產生方法

有三種用於中子束極化的主要方法，每一種對特定的實驗場景有專門的優勢，包括：

① 單晶極化。例如，Co₉₂Fe₈與Heusler晶體（Cu₂MnAl），使用最佳化的布拉格反射，前一種晶體用(200)反射面，後一種晶體用(111)反射面。所有這些晶體都可用來產生極化與單色化的中子束，以及分析中子束的能量與極化率。所以，單晶極化器常用作單晶衍射儀與三軸譜儀。

② 薄膜（超鏡）。磁化薄膜的全反射可用來產生極化中子。通過材料的合適選擇，極化中子束可通過全反射產生。在特殊的情形，如核與磁散射長度相等時，所有的反射中子就都是極化的。然而，僅當是冷中子情形反射角度才合理較大。例如，Fe₅₀Co₄₈V₂的核與磁散射長度大約相等，其全發射角度為0.4° （ 中子波長為4 Å時）。可通過添加人工磁性與非磁性層現在提供反射角，F. Mezei第一次通過物理氣相沉積製備出這些人工多層膜（超鏡）。近來，通過薄膜層已實現中子波長為1 Å時的極化中子反射角為0.3°量級。因此，現在這些先進裝置已可用作熱中子白光束的極化器。

③ 自旋過濾器。極化單晶體與薄膜的一個主要缺點即，隨著中子能量的增加（短波長）其效率下降，且僅接受較小的分散度。當然，另一方面，它們不用維護且容易使用。因此，具有寬頻與對分散度限制小特徵的極化過濾器吸引了顯著的興趣，特別對脈衝散裂源於帶大面積探測器的譜儀。氦-3自旋過濾器使用亞穩態氦-3的直接光學抽取，此類極化器已在法國勞厄·朗之萬研究所

國內情況

目前，國內上海交通大學、蘭州大學等一些課題組在開展氦-3極化系統的研究。但是，研製的極化系統並非用於中子散射譜儀裝置。依託中國綿陽研究堆已建成的中子反射譜儀上所帶的極化系統，以及東莞散裂源規劃建設譜儀的極化系統，都是從國外引進的極化超鏡。近期中國工程物理研究院核物理與化學研究所引進國外相關人才，正積極開展用於中子散射裝置的極化系統研製工作。

套用範圍

極化中子在核物理具有許多套用，它們同時用於研究核力相互作用的性能研究，核相互作用的時間守恆，中子β衰退的動力學以及核子結構研究。在固態物理中，極化中子使研究磁性物質中的未配對電子組態成為可能。另外，極化中子的使用已經允許測試合金單個組分的磁矩大小，以及磁散射振幅信號。其他套用包括散射後極化中子的變化研究，以及一些晶體的極化面旋轉研究（可促進複雜磁性結構的破解）。極化中子的非彈性散射對研究磁性晶體的點陣動力學性能非常重要。極化中子也用於研究如鐵磁-順磁的相變過程