Мюонный метод исследования вещества в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ

В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ мюонный метод исследования вещества (µSR-метод, во всем мире и в России прижилось и используется именно это название метода) начал развиваться после 1976 года, когда был введён в строй мюонный канал на синхроциклотроне СЦ-1000, в 1977 году создается установка «МЮОНИЙ» для изучения локальных магнитных полей в веществе методом вращения мюонного спина и тогда начались экспериментальные исследования магнитных свойств вещества с помощью µSR-метода.

Всем материаловедам и специалистам в области физики конденсированного состояния хорошо известны традиционные методы исследования вещества: ядерный магнитный и электронный парамагнитный резонанс (ЯМР и ЭПР), нейтронография и мёссбауэровская спектроскопия. Но, что представляет собой мюонный метод исследования вещества, известно гораздо меньшему кругу специалистов, даже среди людей, профессионально занимающихся наукой. А между тем мюонный метод уже перешел в «зрелый возраст» (опубликовано несколько тысяч работ) и дал много ценной информации о свойствах вещества. На Земле мюоны регистрируются в космических лучах, они возникают в результате распада заряженных пионов, которые, в свою очередь, создаются в верхних слоях атмосферы первичными космическими лучами. Мюоны космических лучей имеют скорости, близкие к скорости света, так что из-за эффекта замедления времени специальной теории относительности их легко обнаружить у поверхности Земли. Уникальные свойства мюона практически сразу натолкнули ученых на ряд интересных идей по практическому применению этих элементарных частиц. Так, в 1965 году Луис Альварес предложил использовать мюоны для просвечивания египетских пирамид с целью поиска не обнаруженных пока полостей ‒ погребальных камер. А в начале XXI века этот метод получил дальнейшее развитие в связи с задачей выявления ядерной контрабанды. Анализ траектории движения мюонов, прошедших через груз, позволяет определить наличие в нём тяжёлых элементов, в том числе, свинца, урана и плутония ‒ более тяжёлые элементы сильнее отклоняют мюоны при прохождении через них.

Для более глубокого и детального изучения свойств материи, однако, не достаточно мюонов, образующихся в атмосфере Земли. Здесь на помощь ученым приходят специальные сложные установки ‒ ускорители частиц. На сегодняшний момент во всем мире насчитывается всего несколько научно-исследовательских центров, где возможно применение мюонного метода: PSI (Швейцария), TRIUMF (Канада), KEK (Япония), ISIS (Великобритания) и НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ (Россия, г. Гатчина). Применение дорогостоящего оборудования является, пожалуй, единственным минусом метода, но взамен исследователи получают мощный инструмент для изучения самого широкого диапазона свойств вещества, как в газовой фазе, так и в конденсированном состоянии – от измерения скоростей химических реакций до расшифровки магнитной структуры сверхпроводников второго рода, исследования технологических свойств трансформаторных сталей, квантовой диффузии, физики метастабильных состояний.

Мюонный метод исследования вещества берет свое начало с работы Т. Ли и Ч. Янга, где впервые рассматривался вопрос о несохранении пространственной и зарядовой чётности в слабых взаимодействиях, а экспериментаторам предлагалось искать нарушение ранее «незыблемого» закона сохранения природы в β-распаде поляризованных ядер и в распадах мезонов и гиперонов. И такое нарушение было найдено. Опыты, выполненные группой Ц. Ву и Е. Амблера, а также эксперименты Р. Гарвина, Л. Лидермана и М. Вейнриха по изучению углового распределения электронов в распаде мюона убедительно доказали справедливость нарушения закона чётности в слабых взаимодействиях. Тогда, в 1957 году, эти ученые вряд ли могли предположить, что полученный ими фундаментальный результат в физике элементарных частиц положит начало новому методу изучения свойств вещества. Однако именно экспериментальное обнаружение резкой асимметрии в распределении позитронов µ→е распада и послужило фундаментом для создания нового ядерно-физического метода исследования свойств материалов с помощью мюона и мюония (лёгкого аналога атома водород, мюон выступает в роли протона).

Среднее время жизни покоящегося мюона чуть меньше 2,2·микросекунд. Такое короткое по нашим, человеческим, меркам время жизни, тем не менее довольно велико для элементарной частицы. Анализ картины поляризации одного свободного мюона не даст никакого представления о свойствах вещества, поэтому в экспериментах всегда анализируется поляризация ансамбля мюонов, остановившихся в исследуемом образце. По распределению позитронов можно определить направление поляризации мюона в момент распада. Таким образом, поляризованный мюон в веществе – это своеобразный магнитный зонд, позволяющий исследовать внутренние локальные магнитные поля, а также их распределение.

В экспериментах измеряют частоту прецессии спинов мюона или мюония и скорости их деполяризации. Эти параметры содержат богатую информацию о широком спектре физико-химических свойств материала. По своей природе эта информация во многом близка к той, что получают с помощью методов ЭПР и ЯМР, однако она зачастую совершенно специфична и прекрасно дополняет наши знания о веществе, полученные с помощью других методов.

Работа на установке «МЮОНИЙ» в началась в 1978 году. Это был период бурного развития µSR-методики на мезонных фабриках Швейцарии, Канады, США. В нашей стране в связи с реконструкцией ускорителя в Дубне, ЛИЯФ монопольно обладал пучком поляризованных мюонов. Опыт работы московских физиков (Курчатовский институт, ИТЭФ, МИФИ, МФТИ, ОИЯИ) и частичное использование их аппаратуры способствовали развитию µSR-методики в ЛИЯФ. Однако значительная часть работ этого периода носила, в основном, методический характер, происходил поиск направлений наиболее оптимального использования µSR в научных исследованиях.

К началу 1987 года, когда была открыта высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП), в Институте был накоплен большой опыт работы на пучках поляризованных мюонов. Однако запуск ускорителя в Дубне значительно осложнил практические возможности работы в ЛИЯФ. Для эффективного исследования ВТСП мюонным методом необходимо было не только понимание физических основ сверхпроводимости, как направления исследований в физике твердого тела, но и создания новой µSR-установки на базе оборудования ЛИЯФ. В начале 90-х годов XX столетия такая µSR-установка для измерений в более высоких магнитных полях была создана, а также проведена и полная модернизация экспериментальной аппаратуры. Это позволило уменьшить требуемые размеры образцов и эффективно использовать разработанный в ПИЯФ интегральный метод µSR-исследований.

В период с конца 80-х – середины 90-х годов проводились исследования в соответствии с планом научно-исследовательских работ ПИЯФ по теме «Исследование высокотемпературной сверхпроводимости» в рамках проектов «ШКАЛА» и «МЮОН» Государственной программы по исследованию ВТСП. Эксперименты, выполненные на мюонном канале синхроциклотрона ПИЯФ с использованием модернизированной установки «МЮОНИЙ» и вновь созданной µSR-установки для исследований, показали, что в высокотемпературных сверхпроводниках имеет место образование достаточно регулярной вихревой решетки вихрей Абрикосова. Впервые экспериментально было обнаружено отклонение вихрей от направления внешнего поля, обусловленное анизотропией ВТСП.

С конца 90-х по середину 2000-х годов проводились исследования марганецсодержащих соединений типа Cu_1-xMn_x, Pt₃(Fe_1-xMn_x) и Pd₉₅(Fe_1-xMn_x). Особенность этих соединений состоит в том, что благодаря конкурирующему взаимодействию в них наблюдается сложная фазовая диаграмма и ряд необычных эффектов. Например, в сплаве CuMn при больших концентрациях Mn наблюдается 6% эффект памяти формы. При более низких концентрациях этот эффект значительно уменьшается, но тем не менее остается на уровне 0.1%. При этих концентрациях соединение Cu_1-xMn_x при температурах 100 ÷ 150 К переходит из состояния парамагнетика в состояние типа спинового стекла. В образцах с 0,2<x<0,7 обнаружено возникновение специфической магнитной фазы, характеризующейся, по-видимому, отсутствием дальнего порядка и сильной спиновой динамикой в диапазоне температур от 10 К до 330 К. Таким образом, полученные данные позволили существенно дополнить магнитную фазовую диаграмму гомогенных медно-марганцевых сплавов, которая принимает вид, характерный для систем с конкурирующим обменным взаимодействием. В соединениях типа PdFeMn и PtFeMn при концентрациях вблизи тройной точки в ферромагнитной области наблюдаются сильные эффекты необратимости, указывающие на возможный переход внутри ферромагнитной фазы в состояние асперомагнетика. При понижении температуры в образце на фоне коллинеарного ферромагнетика появляется фракция спинового стекла, задолго до перехода образца в спин-стекольное состояние. Совместные исследования образца µSR-методом и методом деполяризации нейтронов позволили определить абсолютную величину магнитных неоднородностей.

На данной установке и сейчас проводятся интенсивные исследования, в частности, магнетизма в материалах с памятью формы, сплавов со случайным конкурирующим взаимодействием и наноструктурных материалов (традиционная µSR-методика используется для исследования нанодисперсных магнетиков с целью выяснения влияния размерного фактора на внутреннею структуру); изучается взаимодействие ферроэлектричества и ферромагнетизма (редкоземельные манганиты и манганаты, мультиферроики с близкими температурами магнитного и сегнетоэлектрического упорядочения) в различных кристаллах и многое другое. Таким образом, µSR-установка на мюоном канале синхроциклотрона СЦ-1000 позволяет повысить эффективность исследований в области физики конденсированных сред. Это, в свою очередь, является хорошим обстоятельством для НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, т.к. он является, безусловно, одним из мировых лидеров в области исследования вещества с помощью нейтронных методов, которые в ближайшее время получат мощный толчок развития в связи с предстоящим вводом в эксплуатацию в Гатчине реакторного комплекса ПИК.

В настоящее время в России существует единственная работающая µSR-установка, расположенная на выходе мюонного канала синхроциклотрона СЦ-1000.

Ученый секретарь НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ,

заведующий лабораторией мезонной физики

кандидат физико-математических наук С.И. Воробьев