Взаимодействие поляризованных нейтронов с неколлинеарными магнитными структурами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

14-2003-174

На правах рукописи УДК 538.97

БОДНАРЧУК Виктор Иванович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ НЕЙТРОНОВ С НЕКОЛЛИНЕАРНЫМИ МАГНИТНЫМИ СТРУКТУРАМИ

Специальность: 01.04.07 — физика конденсированного

состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

«

Дубна 2003

Работа выполнена в Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединенного института ядерных исследований

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор B.JI. Аксенов

Официальные оппоненты член-корреспондент РАН,

профессор Ю.Г. Абов,

доктор физико-математических наук

K.M. Подурец

Ведущая организация Петербургский институт ядерной

физики им. Б.П. Константинова РАН, г. Гатчина

Защита состоится "_"_2003 года в_часов

на заседании диссертационного совета Д 720.001.06 при Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (141980, г. Дубна Московской области)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОНЯИ

Автореферат разослан

2003 г.

Ученый секретарь диссертационного сов

А.Г. Попеко

18

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Со времени первых экспериментов Юза и Берджи с поляризованными нейтронами тепловых энергий прошло уже более 50 лет. С тех пор поляризованные нейтроны превратились в мощный инструмент изучения как фундаментальных симметрий, так и магнитных свойств конденсированного состояния [1] , [2].

На реакторе ИБР-2 методики поляризационной рефлекто-и рефрактометрии, пропускания пучка поляризованных нейтронов сквозь магнитный образец нашли свое воплощение в двух времяпролетных спектрометрах с поляризованными нейтронами: РЕМУР (СПН-1 до 2003 г) и РЕФЛЕКС-П.

Развитие этих методик открыло не только широкие возможности в получении новой информации о структуре конденсированного состояния, но и расширило понимание природы самого нейтрона. Данная диссертационная работа в большей степени посвящена изучению волновых свойств нейтрона, которые он проявляет, в частности, при взаимодействии с магнитными средами имеющими неколлинеарную магнитную структуру. Интерес к рассмотрению взаимодействий поляризованных нейтронов с такими средами обусловлен тем обстоятельством, что это взаимодействие имеет ряд нетривиальных особенностей, изучение которых активно продолжаются в настоящее время.

Изучение эволюции спина нейтрона при прохождении пучка поляризованных нейтронов через неколлинеарную магнитную структуру показало, что результатом такой эволюции является дополнительное слагаемое в фазе волновой функции нейтрона в дополнение к обычной динамической фазе. Данная задача интересна с точки зрения открытия влияния

'Цитируемая литература обозначается ссылкой [1], работы автора, в которых опубликованы выносимые на защиту результаты - [А1]

нетривиальной топологии трехмерного пространства на фазу волновой функции нейтрона.

Другая замечательная особенность взаимодействия поляризованных нейтронов с неколлинеарной магнитной средой проявляется в рефлектометрическом эксперименте. В общем случае коэффициент отражения нейтрона представляет собой матрицу 2x2, недиагональные компоненты которой определяют вероятность отражения с изменением спинового состояния нейтрона в магнитном поле. Возможность такого перехода снимает спиновое вырождение, присутствующее в падающем пучке, в результате чего соотношение нормальной и параллельной поверхности среды компонент волнового вектора нейтрона разное для падающего и отраженного пучков. В результате такого перехода изменяется также соотношение углов падения и преломления. Другими словами спиновые переходы приводят к нарушению закона Снеллиуса, устанавливающего равенство углов падения и отражения и связывающего углы падения и преломления. Закон Снеллиуса был сформулирован для видимого света, но он справедлив и в оптике тепловых нейтронов для немагнитных сред. Нарушение закона Снеллиуса можно наблюдать при отражении и преломлении нейтронного пучка на поверхности магнитнонеколлинеарной среды, помещенной во внешнее магнитное поле. Теоретически этот эффект был предсказан в 1978 г. независимо в работах В.К. Игнатовича [3] и О. Шерпфа [4].

Этот эффект интересен с точки зрения новых подходов к созданию поляризованных пучков и получения новой информации о среде. На основе данного эффекта возможно создание пучков, имеющих 100% поляризацию, он открывает возможности использования даже неполяризованных пучков нейтронов для изучения магнитных сред.

Большой интерес связан с изучением методом рефлектометрии рассеяния поляризованных нейтронов поверхностными магнитными возбуждениями многослойных магнитных наноструктур, которые в общем случае также имеют

неколлинеарную магнитную структуру. Под магнитной структурой в этих материалах понимается взаимное упорядочение магнитных моментов отдельных слоев, каждый из которых однородно намагничен. Это новое направление в рефлектометрии поляризованных нейтронов, и мы находимся только в самом его начале. Развитие этого направления неотъемлемо связано с разработкой новой методики, не имеющей пока аналогов в мире.

Цель работы состоит в экспериментальном и теоретическом исследованиях эффектов, связанных с взаимодействием пучка поляризованных нейтронов с неколлинеарными магнитными структурами: проявление геометрической фазы волновой функции нейтрона при эволюции его спина в стационарном неколлинеарном магнитном поле; нарушение закона Снеллиуса при отражении поляризованных нейтронов от ферромагнитной среды, обладающей недиагональной матрицей отражения, а также развитием новой экспериментальной методики для исследований магнитных возбуждений поверхности.

В соответствии с целью работы поставлены следующие основные задачи:

1. Провести теоретический анализ эволюции спина нейтрона в прецессирующем магнитном поле.

2. Экспериментально зарегистрировать проявление геометрической фазы волновой функции нейтрона при пропускании пучка поляризованных нейтронов через стационарную неколлинеарную конфигурацию магнитногсГполя.

3. Получить информацию из экспериментальных данных о геометрической фазе на основе модели прецессирующего магнитного поля.

4. Изучить экспериментально эффект, приводящий к нарушению закона Снеллиуса при отражении поляризованных нейтронов от однородной анизотропной БеСо-пленки на стеклянной подложке при повороте

внешнего магнитного поля относительно плоскости пленки на некоторый угол.

5. Вычислить коэффициенты отражения поляризованных нейтронов от магнитной пленки на немагнитной подложке в случае неколлинеарности прикладываемого магнитного поля к поверхности пленки.

6. Реализовать новую методику регистрации рассеянных поляризованных нейтронов на поверхностных магнитных возбуждениях.

Результаты, выносимые на защиту

1. Теоретически показано, что при прохождении нейтроном области с прецессирующим магнитным полем неадиабатическая эволюция его спина эффективно сводится к адиабатической переходом от рассмотрения реального магнитного поля к эффективному и геометрическая фаза равна телесному углу, очерчиваемому эффективным магнитным полем на сфере Пуанкаре.

2. Впервые экспериментально обнаружено одновременное проявление геометрической фазы волновой функции нейтрона как в условиях адиабатической эволюции так и в условиях неадиабатической эволюции на одном магнитном контуре. Определена зависимость геометрической фазы от длины волны нейтрона.

3. Обнаружен эффект, приводящий к нарушению закона Снеллиуса - неравенство углов падения и отражения, при отражении поляризованных нейтронов от намагниченной до насыщения пленки БеСо на стеклянной подложке при угле между внешним магнитным полем и поверхностью порядка 70°.

4. Проведено моделирование отражения поляризованных нейтронов от магнитной пленки на немагнитной подложке во внешнем поле, направленном под углом к поверхности. Подгонка модели под экспериментальные данные позволила уточнить основные параметры пленки ч.

(толщину магнитного слоя, химический состав), угол между внешним полем и поверхностью пленки. 5. Развита методика по поиску неупругого рассеяния поляризованных нейтронов на магнитных возбуждениях поверхности. Создан новый времяпролетный рефлектометр поляризованных нейтронов РЕФЛЕКС-П. Определены его характеристики. Научная новизна

При анализе задачи об эволюции спина Уг в прецессирующем с произвольной частотой магнитном поле впервые удалось установить закономерность, позволяющую свести неадиабатическую эволюцию к адиабатической. Достигается это благодаря переходу к рассмотрению вместо реального прецессирующего поля к эффективному, относительно которого эволюция спина всегда носит адиабатический характер.

В исследовании геометрической фазы волновой функции нейтрона впервые реализована схема эксперимента, при которой одновременно можно получить информацию как об адиабатической геометрической фазе так и неадиабатической. Этого удалось добиться благодаря использованию метода времени пролета при неизменном магнитном контуре.

Изучение эффекта, приводящего к нарушению закона Снеллиуса при отражении нейтронов проведено практически в одно время с группой Г. Фелшера, где этот эффект был впервые экспериментально наблюден [5]. Решая совершенно другую задачу, Фелшер с сотрудниками случайно зафиксировали нёзеркальное отражение поляризованных нейтронов, и впоследствии правильно истолковали наблюдаемый эффект. Представляемую работу в этой области можно рассматривать как независимое подтверждение эффекта незеркального отражения, которая является логическим завершением работ по теоретическому предсказанию эффекта, выполненных ранее сотрудником ЛНФ В.К. Игнатовичем [3].

Тестовые эксперименты, проведенные на недавно созданном рефлектометре поляризованных нейтронов

РЕФЛЕКС-П продемонстрировали соответствие его параметров аналогичным установкам ведущих мировых нейтронных центров. На спектрометре разработана уникальная методика проведения измерений по неупругому рассеянию в рефлектометрическом эксперименте.

Практическая ценность работы

Открытая в 1984 г теоретиком из Бристольского университета М.В. Берри геометрическая фаза волновой функции вызвала целый бум работ, непрекращающийся по сей день, что связано с открытием по сути нового раздела квантовой механики. В нашей работе впервые найденны закономерности проявления геометрической фазы в конкретном случае эволюции спина нейтрона в прецессирующем магнитном поле.

Работа, связанная с наблюдением эффекта незеркального отражения нейтронов от магнитных сред с недиагональными матрицами отражения имеет богатую перспективу практического использования. При работе на монохроматическом пучке эффект может быть использован для создания идеальных поляризаторов, поскольку незеркально отраженные пучки имеют 100% поляризацию. Для немонохроматических пучков на основе данного явления можно создавать фильтры, вырезая из падающего спектра узкие спектральные полосы. Эффект перспективен как основа методики изучения магнитных образцов с использованием неполяризованных нейтронов. Физические принципы, лежащие в основе данного эффекта дают возможности развития методики частичного решения проблемы фазовой неопределености в решении обратной задачи рассеяния в рефлектометрии.

Создание новой установки с поляризованными нейтронами РЕФЛЕКС-П имеет большое значение не только для лаборатории ЛНФ, но и для всей России, поскольку это всего лишь третья установка подобного рода в стране дополнительно к рефлектометру в ПИЯФ РАН (г. Гатчина) и рефлектометру -РЕМУР, (ОИЯИ, Дубна).

Апробация работы

Основные результаты работы опубликованы в 4 статьях и 1 препринте.

Результаты, представленные в работе, докладывались на международных и российских конференциях и школах, на семинарах в отделе нейтронных исследований конденсированных сред Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка:

1. XV Совещание по использованию рассеяния нейтронов в исследованиях конденсированного состояния РНИКС-97, Заречный, Россия, 17-23 марта 1997 г.

2. 7th Summer School on Neutron Scattering, Zuoz, Switzerland, August 7-13, 1999.

3. 2nd European Conference on Neutron Scattering, Budapest, Hungary, September 1-4, 1999.

4. XVI Совещание по использованию рассеяния нейтронов в исследованиях конденсированного состояния, Обнинск, Россия, 13-17 сентября 1999 г.

Личный вклад автора

Автор участвовал во всех работах, результаты которых вошли в диссертацию, в проведении экспериментов и обсуждении научных результатов, в развитии методики проведения эксперимента. Все экспериментальные данные обработаны автором диссертации. Структура и объём работы

Диссетрация состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения. Работа изложена на 93 страницах, включая 34 рисунка и 78 наименований литературы. Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, а также результаты, выносимые на защиту. Даётся характеристика научной новизны и практической ценности полученных результатов. Кратко изложена структура и содержание диссертации.

В первой главе диссертации дано краткое описание методики магнитной рефлектометрии и дано описание спектрометров СПН-1[6] и РЕФЛЕКС-П [Al], на которых выполнены научные исследования. Рефлектометр поляризованных нейтронов РЕФЛЕКС-П создавался при непосредственном участии автора диссертации и эта работа является одной из целей настоящей , диссертационной работы, поэтому все характеристики спектрометра подробно описаны. Здесь отметим главное методическое достижение рефлектометра РЕФЛЕКС-П: рекордное значение углового разрешения ~ Н3%

Далее в главе даны определения основных понятий магнитной рефлектометрии: нейтронно-оптического потенциала среды, матрицы отражения, матрицы спиновой плотности и поляризации нейтронного пучка. Показана связь между этими понятиями и экспериментально измеряемыми величинами.

Показан принцип моделирования нейтронно-оптического потенциала для восстановления его зависимости от координаты, нормальной к поверхности отражающей среды на основе подхода, использующего представление нейтронно-оптического потенциала в виде одномерной последовательности из N ядерных параллельных плоскостей параллельных отражающей поверхности [7].

Вторая глава посвящена изучению эволюции спина нейтрона при прохождении пучка поляризованных нейтронов через неколлинеарную магнитную структуру. Результатом такой эволюции является дополнительное слагаемое в фазе волновой функции нейтрона вдобавок к обычной динамической фазе. Величина этой добавки определяется адиабатичностью изменения магнитного поля в системе отсчета, связанной с нейтроном и формой магнитного контура. Характеристикой адиабатичности эволюции служит отношение частоты ларморовской прецессии col к характерной частоте изменения магнитного поля со. Если это отношение велико (cdl/co»1), то эволюция спина считается адиабатичной, в этом случае геометрическая фаза, появляющаяся в результате такой эволюции \|

называется фазой Берри, численное значение которой равно телесному углу П, описываемому вектором магнитного поля на сфере Пуанкаре и не зависит от траектории спина. В противном случае (юь/са«!) геометрическая фаза не определяется только геометрией контура, описываемого вектором магнитного поля, а зависит также от траектории спина.

Рассматривая частный случай эволюции спина нейтрона в магнитном поле, вектор которого прецессирует с частотой со вокруг оси г, составляя с ней угол 8, было установлено [А2], что адиабатическая и неадиабатическая эволюция может быть представлена единым образом. Анализ этой задачи удобен тем, что уравнение Паули в этом случае имеет точное решение:

4>+(0 = ехр

\|/_(t) = exp

где

— i(A + co)t

cos

ехр(ЧФ)

sin

f

i(A-co)t

fc\\

-sin

0

\ /

i,

cos

ехр(ЧФ)

rQ\

(1)

Ф=со1,

fe"

cos — \2.

A + col cosB+ro

2Л функции

Л = д/(со + wL cosQ)2 + ©l sin2 0. Волновые функции vj/± соответствуют состояниям с проекцией спина на ось z:

(vj/±, szv|/±)=±— cos@ (2)

Применяя схему вычисления фазы Берри у± [8] для функций (1) получим:

У±=+| П(0), (3)

где £2(0) = 27i(l-cos 0) - телесный угол, образованный конусом с углом раствора 20. При выполнении условия адиабатичности в

данной задаче соь/со «1 телесный угол П(0) стремится к значению О(9). В системе отсчета, связанной с вращающимся полем, спин прецессирует вокруг оси, совпадающей с эффективным полем Не(г, а угол между спином и ЕЦйг постоянен при постоянной частоте прецессии поля Н. Поэтому движение спина всегда адиабатично по отношению к полю Не(г независимо г

от отношения соь/со. 4

ч»

Рис. 1. Схема магнитной системы для экспериментального изучения геометрической фазы. Изображение контура направлений единичного вектора п-Н/\Н\ на сфере Пуанкаре, измеренный с помощью холловского магнитометра. Среднее значение поля на контуре (3±0.5) Гс, длина участка 0.75м. Величина телесного угла П для контура а) П] = 1.39 стерадиан, для контура б) /2? = 0.98 стерадиан.

В этой же главе дано описание эксперимента по измерению геометрической фазы на рефлектометре СПН-1 реактора ИБР-2 [А2], [АЗ]. Особенность этого эксперимента состояла в использовании техники времени пролета и способе создания магнитной конфигурации - на основе постоянных магнитов (рис. 1), что позволило наблюдать одновременно и адиабатическую и неадиабатическую части геометрической фазы.

Рис. 2. Спектральные зависимости Ру для двух противоположных включений катушки.

Верхний график

соответствует случаю, когда магнитное поле, создаваемое катушкой совпадает по направлению с вектором импульса нейтронов. Нижний

график -

противоположный случай. Явно выраженный

относительный фазовый сдвиг двух кривых обусловлен разными знаками геометрической компоненты полной фазы при эволюции спинов нейтронов в двух разных контурах, соответствующих двум возможным включениям катушки.

Наличие электромагнитной катушки в данной схеме, способной создавать магнитное поле в двух противоположных направлениях, позволяет организовывать два контура с примерно одинаковыми значениями телесных углов, но противоположными направлениями обхода.

В системе координат, где ось г совпадает с направлением вектора Н в начальной точке, а ось х направлена вдоль вектора скорости нейтронов, метод ларморовской прецессии позволяет измерять Ру компоненту вектора поляризации в конечной точке эволюции. Были измерены две экспериментальные кривые РУ(Х,),

для двух противоположных включений катушек (рис. 2.).

ь

Значения интегралов || Н(х) | с1х, где Ь - длина магнитной " о

системы, определяющих динамическую фазу прецессии для двух ^ противоположных включений отличаются друг от друга на 3%. Следовательно такой же будет и разность динамических фаз для

3 4 5 Длина волны, а

указанных двух случаев в той части спектра, где эволюция спина адиабатическая. Из этого следует, что наблюдаемая разность фаз двух кривых, соответствующих двум противоположным включениям катушки будет практически полностью соответствовать разности геометрических фаз, определяемых двумя контурами магнитного поля. Исходя из данных о геометрии и величине магнитного поля можно сказать, что эволюция спина в данном эксперименте не относится ни к области строгой адиабатики, ни к области строгой неадиабатики, а соответствует квазиадиабатическому поведению спина. Информация о геометрической фазе была получена представлением реального контура магнитного поля модельным прецессирующим магнитным полем. Из двух реальных контуров был выбран контур а) на рис. 1. Выбор обусловлен тем, что данный контур более гладкий по сравнению со вторым и не имеет самопересечений. В рамках модели прецессирующего поля измеряемую компоненту поляризации можно представить в виде [АЗ]:

Ру =а со8(ДР(Х)+Ду(Х))+Ь, (4)

где а, Ь - некоторые параметры, связанные с техникой измерения.

Значение параметра адиабатичности позволяет разложить динамическую ЛР(А,) и геометрическую Ау(к) (3) фазы в ряд:

АР(Х) = 2тг——- тс-^-БШ 2 0 + к со 2озъ

г \2 со

со

СОБ0(3 сое 0 — 1) — ...,

у (5)

Ау(Х) = 2я(1 + со80)-7г-+ тссовб

2юь

©

2 соьу

где ш/2а>ь =1.78/А.Н, 2я(1+соз9):=П - телесный угол, очерчиваемый модельным вектором магнитного поля, 0 -половина угла раствора конуса прецессии модельного магнитного поля. Экспериментальная кривая подгонялась по МНК процедуре по формуле (4) с учетом (5). Свободными параметрами подгонки были а, Ь, 0, Н. Результаты подгонки приведены на рис. 3 а). Используя найденные параметры прецессирующего поля была построена зависимость

0.0

б

а

Т 1 I ' 1 1 г

Рис. 3. Времяпролетный эксперимент, (а) Сплошная линия -результат подгонки по МНК-процедуре экспериментальной зависимости Ру(Л) на основе модели прецессирующего поля, (б) Полученная зависимость геометрической фазы от длины волны нейтронов. Отклонение от значения независимо измеренного телесного угла С2 на уровне 10-15%.

геометрической фазы от длины волны нейтрона (рис. 3 б) С увеличением X кривая Ду(X) имеет тенденцию выхода на постоянное значение Лу(Х)=Г2, которое соответствует адиабатическому пределу Берри. Наблюдаемое отклонение расчетного значения геометрической фазы Ау от реального значения телесного угла, реализованного в эксперименте порядка 10% и свидетельствует о том, что условие адиабатичности не наступает даже для самых длинноволновых нейтронов падающего спектра. Вместе с тем визуальное сравнение эксперимента и расчета показывает, что в целом выбранная модель отражает закономерности реальной эволюции спина нейтрона.

В третьей главе описаны результаты исследования эффекта незеркального отражения поляризованного пучка нейтронов от магнитно-неколлинеарной среды. Этот эффект был предсказан теоретически в 1978 г. независимо в работах В.К. Игнатовича [3] и О. Шерпфа [4].

При отличных от нуля недиагональных компонентах матрицы отражения Я процессы отражения происходят с

переворотом спина. Если спиновое состояние нейтрона в процессе отражения меняется на противоположное, то должна поменяться его потенциальная энергия во внешнем магнитном поле на величину 2цНо. Законы оптики требуют, чтобы параллельная поверхности компонента импульса сохранялась, следовательно изменение энергии нейтрона должно произойти только за счет изменения нормальной к поверхности компоненты к7_. Для характерных углов скольжения (в рефлектометрии тепловых нейтронов ф ~ 10"3 рад.) изменение потенциальной энергии магнитного момента нейтрона во внешнем поле 2|о.Но совпадает по порядку величины с кинетической энергией нейтрона, соответствующей нормальной компоненте импульса Л2к2

--, поэтому в отраженном пучке соотношение параллельной и

2т

нормальной компонент импульса будет иным, чем в падающем пучке. Другими словами, угол отражения ф* не будет равен углу падения фо [АЗ]:

= = А +1.47 • 10~'°Н0Х.2 / ф; -1 » +0.74 • 10"10Н0Х.2 /ф02 (6)

Фо к2

где знак "-" соответствует спину который изменил свое направление с параллельной ориентации к внешнему полю Но на антипараллельную, а знак "+", соответственно с антипараллельной на параллельную, X - длина волны нейтрона в ангстремах, Но - магнитное поле в гауссах, фо - угол скольжения в радианах. Таким образом, монохроматический неполяризованный пучок тепловых нейтронов будет испытывать тройное лучеотражение от магнитной среды с недиагональной матрицей отражения - два незеркально отраженных пучка нейтронов, поменявших свое спиновое состояние относительно внешнего поля и имеющих противоположно направленные вектора поляризации и один зеркально отраженный пучок нейтронов, спиновое состояние которых не изменилось.

В этой главе приведено описание эксперимента по наблюдению незеркального отражения поляризованного пучка нейтронов [А4].

В качестве образца использовалась анизотропная пленка БеСо толщинои -1500А на стеклянной подложке. Магнитное поле на образце создавалось поворотным электромагнитом, способным вращаться вокруг оси пучка. Образец настраивался на угол падения фо = 4.2-10'3 радиан. Детектор на основе Не3 располагался на расстоянии 2.68м от образца, Сс1 диафрагма на детекторе шириной 0.5мм обеспечивала угловую апертуру 5ф=0.18-10" радиан. Как следует из формулы (6) относительное отклонение незеркального пучка зависит от длины волны, поэтому отраженный пучок образует веер отраженный нейтронов. Для

этих условиях измерялись

Рис. 4. Зависимость интенсивности отраженных нейтронов от угла смещения детектора Л ф относительно зеркального пучка, а) Но=0.2 кГс, Х~70° апертура детектора 8ф=0.18 мрад.,

фо=4.2 мрад. Максимумы угловых распределений интенсивностей во всех окнах АХ совпадают и расположены при Лф=0 - в направлении зеркального пучка. Величины приложенного поля Но недостаточно, чтобы расщепить отраженный пучок, б) Но=б.З кГс, %~70° 8ф=0.18 мрад., ф0=4.2 мрад. Появляются незеркально

отраженные нейтроны. Угловое отклонение незеркально

отраженных нейтронов Лф=ф-фо имеет квадратичную зависимость от длины волны Я (б).

наблюдения эффекта в

пространственные распределения интенсивности не всех длин волн, представленных в падающем спектре, а только в узких окнах временного анализатора шириной ДХ~1А. Магнитное поле для наблюдения эффекта прикладывали под углом к

плоскости пленки. На рис. 4 видно, что при малой величине прикладываемого поля (Но=0.2 кГс) расщепление пучка не наблюдается. При значении поля Но=6.3кГс появляются незеркально отраженные пучки. Измеренные значения угловых отклонений от зеркального угла Аф1(Л,1) и Дфг^г) удовлетворяют отношению Дф1(А,1)/Дф2(А.2)-(А,1/А,2)2 с точностью 5% и подтверждают квадратичную зависимость Дф от X. В зеркальном

Длина вошш, А

Рис. 5. Зависимости от длины волны Л интенсивности зеркально отраженного пучка Ы+(Л)\Я+(Л) 12+К(Л) I Я.(Л) 12 при %=0, т.е. когда матрица отражения -диагональна, Аф=0,

незеркального пучка Щ.+(Л)\2, при %~70° Аф=0.7 мрад. Измерения проведены при двух значениях прикладываемого внешнего поля: а) Н0=б.ЗкЭ, б) Но=3.2 кЭ. Сплошная линия -результат подгонки.

положении детектора Дф=0 измерены коэффициенты отражения Я, которые выражаются через амплитуды Л++(А,) и 11_(Х,) следующим образом:

(7)

Доли N-1- и N. через экспериментально измеряемые функции поляризации Р(Х) и интенсивности падающего пучка 1о(Х,) выражаются как:

М+(Х) = 10(А.)^р, = (8)

Измерения проведены в коллинеарном % =0° и неколлинеарном х~70° случаях для двух значений поля Но=6.3кЭ и 3.2кЭ рис 5. В положениях детектора, соответствующих угловым отклонениям от зеркального ф =0.7 мрад и Лф=1.06 мрад. измерены спектры незеркально отраженных нейтронов в полях 6.3 кЭ, 3.2 кЭ и 5.1 кЭ, 3.2 кЭ соответственно (рис 5). Куполообразная форма незеркальных спектров объясняется ограниченной угловой апертурой детектора 5ф - нейтроны с длинами волн меньше примерно 2.5А и больше 5А летят мимо щели детектора. Измеряемый спектр этих нейтронов 1.+ в зависимости от угла отклонения детектора от зеркального направления Дф=ф-фо с учетом (8) и с учетом ограниченной апертуры детектора 5ф, которую можно представить в виде гауссиана будет иметь вид:

2 25ф

С учетом экспериментальной функции поляризации падающего пучка, угловой апертуры детектора, его углового разрешения подгонялись параметры пленки до наиболее точного соответствия экспериментальным кривым. Результаты подгонки - функции, нарисованные сплошными линиями - приведены на рис. 5. Получены следующие параметры изучаемой системы: % -10°, к8П = 7.5-10"3А"1, кет = 8.2-10"3А"1, что соответствует концентрации железа в пленке на уровне 47% и кобальта соответственно на уровне 53%, к^, к^ - граничные значения волнового вектора, связанные со значениями нейтронно-

1.+~1о|М^)Гехр(- ) (9)

оптических потенциалов по формуле: U„,m =-——. Полученное

2ш

соотношение кобальта и железа в пленке соответствует технологии их изготовления.

Четвёртая глава посвящена изучению рассеяния поляризованных нейтронов магнитными возбуждениями поверхности в рефлектометрическом эксперименте. Эта часть диссертационной работы основана на предположении о том, что определенная часть нейтронов падающего на образец пучка и имеющих энергию меньше критической, что не позволяет им проникнуть внутрь среды испытывает незеркальное отражение за счет неупругого рассеяния на магнитных возбуждениях поверхности. Обмен энергией нейтронов с планарными возбуждениями в этом случае может идти только через его параллельную поверхности компоненту скорости, а вероятность этого процесса максимальна в той области по глубине пленки, где находится пучность стоячей нейтронной волны.

Рассмотривая кинематику процесса рассеяния нейтрона на поверхностном магноне без учета поляризации падающего пучка, получим следующее. При падении на поверхность пленки под углом скольжения меньше критического параллельная поверхности пленки компонента волнового вектора кц имеет вид:

к, =^|cos(e)±Va2 - sin2 (9)], (10)

где kj1 - параллельная компонента волнового вектора падающего

— —о

пучка, 0 - угол между векторами к - рассеянного и к -падающего

Г*' /т

пучков, а = -/I

_2mn /

жесткости). Из уравнения (10) следует, что существует предельный угол рассеяния в0 sin(0o) = ±a, то есть

кинематическая граница процесса. Знак + перед корнем в уравнении (10) соответствует поглощению, либо испусканию

гс1"""""1 «1 (D - коэффициент спиновой

^ нейтрон

Рис. б. Схема эксперимента по поиску неупругого рассеяния нейтронов на планарных магнитных возбуждениях в тонких пленках по методу времени пролета. Пучок поляризованных нейтронов с волновыми векторами кх меньшими критического значения П кс (кх < кс) для данного образца испытывает полное внешнее отраженный от поверхности магнитной тонкопленочной структуры, намагниченной до насыщения. Детектор сканирует распределение интенсивности отраженных нейтронов вдоль оси У перпендикулярной плоскости рассеяния. Изучаемая таким образом кривая рассеяния с выходом из плоскости отражения должна иметь кинематический обрыв, если выполняется квадратичный закон дисперсии для поверхностных магнонов.

магнона. Включая в рассмотрение поляризацию падающего пучка, исходя из функции рассеяния [9], можно сделать вывод о том, что в используемой геометрии эксперимента (рис. 6), когда вектор намагниченности среды т и вектор поляризации падающего пучка Р перпендикулярны волновому вектору

падающего пучка к0, неупругое взаимодействие не должно зависеть от знака поляризации падающего пучка.

Образец представлял из себя поляризующее суперзеркало, поэтому для нейтронов с поляризацией противоположной вектору намагниченности средний оптический потенциал должен быть близок к нулю. Такие нейтроны должны свободно проникать в среду и поглощаться в Т1Сс1 подслое, отделяющем магнитную структуру пленки от подложки.

На рис. 7. приведена экспериментальная кривая, измеренная в соответствии со схемой рис. 6 [А5]. При изменении знака поляризации относительно вектора намагниченности мы

1.0Е-003

1.0Б-004

5- 1.0Е-005

ге

1.0Е-006

Рис. 7. Кривые рассеяния измеренные при

сканировании интенсивности вдоль оси У, кружки - при

рП ш. Квадраты - при

Р 14 ш

5 10 15 20 Угод рассеяния, мрад.

зарегистрировали его зависимость от угла а. Поскольку рассеяние наблюдается (нижняя кривая на рис. 7) и, как мы установили в предыдущем разделе, оно не может быть связано с неупругими процессами рассеяния на планарных магнитных возбуждениях, то, по всей видимости, оно связано с упругим диффузным рассеянием на ядерно-магнитных шероховатостях межслойных границ. Что же касается основной кривой (верхняя кривая), при угле рассеяния а - 0.011рад наблюдается кинематический обрыв, который соответствует величине спиновои жесткости Таким образом, первые

эксперименты подтверждают предположения о квадратичности закона дисперсии для поверхностного магнона. Плавный спад кривой в области углов больших а указывает на то, что кроме квадратичного слагаемого должны присутствовать и члены более высокого порядка.

В выводах подведены основные итоги работы.

Список публикаций по теме диссертации

[А1] ДА. Корнеев, В.И. Боднарчук, С.П. Ярадайкин, Спектрометр поляризованных нейтронов РЕФЛЕКС-П, препринт ОИЯИ РЗ-2002-189, 2002, стр. 14.

[А2] D.A. Korneev, V.l. Bodnarchuk, L.S. Davtyan, Observation of nonadiabatic geometrical effects in a time-of-flight experiment with polarized neutrons, Physica В 213&214 (1995) pp. 993-995.

[A3] В.И. Боднарчук, Jl.C. Давтян, Д.А. Корнеев, Эффекты геометрической фазы в нейтронной оптике, УФН, 166 (1996)2, с. 185-194.

[A4] Д.А. Корнеев, В.И. Боднарчук, В.К. Игнатович, Off-specular neutron reflection from magnetic media with nondiagonal reflectivity matrices. Письма в ЖЭТФ 63, (1996) 12, с. 900-905.

[А5] D.A. Korneev, V.l. Bodnarchuk, V.F. Peresedov, V.V. Zhuravlev, A.F. Schebetov, Inelastic mode of polarized reflectometer REFLEX-P for observation of surface phonons and magnons, Physica В 276-278 (2000) pp.314-315.

Список цитируемой литературы

[1] Ю.Г. Абов, А.Д. Гулько, П.А. Крупчицкий, Поляризованные медленные нейтроны, Москва М., Атомиздат, 1966.

[2] П.А. Крупчицкий, Фундаментальные исследования с поляризованными медленными нейтронами, М., Энергоатомиздат, 1985.

[3] В.К.Игнатович, Письма в ЖЭТФ 28 (1978) 311.

[4] О. Scharpf, J. Appl. Cryst. И (1978) 626.

[5] G.P. Felcher, S. Adenwalla, V.O. de Haan, A.A. van Well, Nature 377(1995) 409.

[6] D.A.Korneev, V.V. Pasyuk, A.V. Petrenko, E.B. Dokukin, Surface X-Ray and Neutron Scattering (Editors H.Zabel and I.K.Robinson), Springer-Verlag (1992) 213-217.

[7] Д.А. Корнеев, Л.П. Черненко, препринт ОИЯИ Р4-87-400, 1987.

[8] Berry M.V. //Proc. Roy. Soc. Ser. A. 392 (1984) 45.

[9] S.V. Maleyev, Sov. Sei. Rev. A 8 (1988) 323.

Получено 10 сентября 2003 г.

»18353

Макет H. А. Киселевой

Подписано в печать 12.09.2003. Формат 60 X 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,43. Уч.-изд. л. 1,65. Тираж 100 экз. Заказ № 54085.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г. Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. E-mail: publish@pds.jinr.ru www.jinr.ru/publish/

Введение.

Глава I. Развитие метола рефлектометрии поляризованных нейтронов на реакторе ИБР-2.

1.1. Принципы рефлектометрии поляризованных нейтронов.

1.2 Рефлектометры поляризованных нейтронов.

1.3 Рефлектометр поляризованных нейтронов РЕФЛЕКС-П.

I.4. Метод ларморовской прецессии для измерения фаз и пространственного направления вектора поляризации.

Глава П. Влияние геометрии магнитнонеколлинеарного контура на волновую функцию нейтрона.

II. 1. Введение.

11.2. Геометрическая фаза волновой функции. 39 II.2.1. Адиабатический случай. Фаза Берри. 39 И.2.2. Неадиабатический случай. Фаза Ааронова-Анандана.

11.3. Адиабатическая и неадиабатическая эволюции в оптике поляризованных нейтронов.

11.4. Фаза Берри при эволюции спина нейтрона в магнитном поле. 45 П.5. Геометрическая фаза нейтрона в прецессирующем магнитном поле.

11.6. Обзор экспериментальных работ, посвященных геометрической фазе в оптике поляризованных нейтронов.

11.7. Измерение геометрической фазы в эксперименте с поляризованными нейтронами.

Глава III. Экспериментальное исследование отражения поляризованных нейтронов от сред с недиагональными матрицами отражения.

III. 1. Случай сильного поля.

П1.2. Случай слабого поля. 68 III.3. Обзор экспериментальных работ по взаимодействию поляризованных нейтронов с магнитными средами, обладающими недиагональными матрицами отражения.

III.4. Эксперимент по наблюдению незеркального отраженния поляризованного пучка нейтрнов.

Глава IV. Экспериментальное изучение неупругого рассеяния тепловых нейтронов на планарных магнитных возбуждениях.

IV.1. Введение. 79 IV.2. Теоретическое рассмотрение кинематики малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов в направлении параллельном плоскости магнитного зеркала. 81 IV.3. Экспериментальная методика измерения неупругого рассеяния нейтронов на планарных магнитных возбуждениях.

Выводы

Со времени первых экспериментов Юза и Берджи с поляризованными нейтронами тепловых энергий прошло уже более 50 лет. С тех пор поляризованные нейтроны превратились в мощный инструмент изучения как фундаментальных симметрий, так и магнитных свойств конденсированного состояния [1,2].

В настоящее время выделилось два методических подхода к изучению магнитных сред в оптике поляризованных нейтронов. Первый заключается в пропускании пучка поляризованных нейтронов сквозь магнитную среду и последующее измерение модуля вектора поляризации на выходе из образца и его направления. Анализ этих параметров позволяет судить о доменной структуре среды или о крупномасштабных неоднородностях внутри нее. Этот экспериментальный способ изучения магнитной структуры называется методом деполяризации. Его теоретические основы заложены в работах Халперна и Холстейна в 1941 г. [3]

Другой подход состоит в измерении коэффициента отражения пучка нейтронов от гладкой поверхности среды под углами порядка нескольких угловых минут. При таких углах падения значение коэффициента отражения близко к единице, а его зависимость от энергии налетающих нейтронов однозначно определяется структурой приповерхностного слоя среды. При этом характерный масштаб изучаемой структуры заключается в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч ангстрем. Такой подход получил название метода рефлектометрии. В отличие от метода деполяризации рефлектометрия тепловых нейтронов стала использоваться сравнительно недавно. В 1981 г. Г. Фелшер [4] впервые предложил использовать отражение тепловых нейтронов для изучения магнитных свойств поверхностей и тонких пленок. Первые рефлектометрические эксперименты с поляризованными нейтронами были направлены на определение глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводники.

Поскольку реальные размеры изучаемых образцов не превышают нескольких десятков миллиметров, то наряду с измерениями отраженного от поверхности пучка нейтронов, иногда измеряют преломленный пучок нейтронов, который вошел в среду пленки и вылетел с торцевой части образца. Такая методика измерений называется рефрактометрией. Понятно, что эти два метода являются генетически связанными, поскольку в идеальном случае, в отсутствие поглощения, суммарная интенсивность отраженного и преломленного пучков должна равняться интенсивности пучка, падающего на образец.

Развитие указанных методик открыло не только широкие возможности в получении новой информации о структуре конденсированного состояния, но и расширило понимание природы самого нейтрона. Данная диссертационная работа в большей степени посвящена как раз изучению свойств самого нейтрона, которые он проявляет, в частности, при взаимодействии с магнитными средами имеющими неколлинеарную структуру. Интерес к рассмотрению взаимодействий поляризованных нейтронов с такими средами обусловлен тем обстоятельством, что это взаимодействие имеет ряд нетривиальных особенностей.

На реакторе ИБР-2 методики поляризационной рефлекто-, рефрактометрии, пропускания пучка поляризованных нейтронов сквозь магнитный образец нашли свое воплощение в двух времяпролетпых спектрометрах с поляризованными нейтронами: РЕМУР (СПН-1 до 2002 г) и РЕФЛЕКС-П. Установка РЕФЛЕКС-П создавалась при непосредственном участии соискателя, лично им были измерены многие параметры этого нового спектрометра, поэтому описанию методической части отведено в диссертации значительное место. Научные исследования, выполенные на спектрометрах СПН-1 и РЕФЛЕКС-П отражены в трех главах, посвященных изучению особенностей взаимодействия нейтронов с неколлинеарными магнитными средами.

В главе I диссертации дано краткое описание принципов методики магнитной рефлектометрии и дано описание спектрометров СПН-1 и РЕФЛЕКС-П, на которых были выполенены научные исследования.

Первое исследование (глава И) связано с изучением эволюции спина нейтрона при прохождении пучка поляризованных нейтронов через неколлинеарную магнитную структуру. Результатом такой эволюции является дополнительное слагаемое в фазе волновой функции нейтрона в дополнение к обычной динамической фазе. Долгое время анализ деполяризационных экспериментов основывался на упомянутой выше работе Халперна и Холстейна [3], которые рассматривали прохождение магнитного момента через неколлинеарную магнитную структуру на основе уравнения движения вектора поляризации. Такой подход позволяет расшифровывать доменную структуру образца, но оставляет без внимания изменение волновой функции нейтрона в процессе его прохождения через образец. Эволюция спина нейтрона приводит к накоплению информации о геометрии магнитного контура в фазе волновой функции нейтрона, которую невозможно определить в рамках подхода [3]. Геометрия магнитного контура влияет на фазу волновой функции в виде добавки к динамической фазе. Величина этой добавки определяется адиабатичностью изменения магнитного поля в системе отсчета, связанной с нейтроном и формой магнитного контура. Характеристикой адиабатичности эволюции служит отношение частоты ларморовской прецессии к характерной частоте изменения магнитного поля. Если это отношение велико, то эволюция спина считается адиабатичной, в этом случае проекция спина на направление магнитного поля сохраняется в течение всей эволюции. В противном случае пространственное направление спина не следует за изменением направления магнитного поля и в конце эволюции проекция спина на направление магнитного поля не совпадает с таковым в начальный момент времени. Стоит сказать, что данная задача интересна с точки зрения открытия нового в природе волновой функции частицы, а именно влияния нетривиальной топологии трехмерного пространства на фазу волновой функции нейтрона.

Второе исследование (глава 1П) посвящено другой замечательной особенности взаимодействия поляризованных нейтронов с неколлинеарной магнитной средой. В общем случае коэффициент отражения нейтрона представляет собой матрицу 2x2, недиагональные компоненты которой определяют вероятность отражения с изменением спинового состояния нейтрона в магнитном поле. Возможность такого перехода снимает спиновое вырождение, присутствующее в падающем пучке, в результате чего соотношение нормальной и параллельной поверхности среды компонент волнового вектора нейтрона разное для падающего и отраженного пучков. Это приводит к эффекту, суть которого состоит в незеркальном отражении нейтронного пучка от поверхности магнитнонеколлинеарной среды, помещенной во внешнее магнитное поле Эта особенность была предсказана в 1978 г. независимо в работах В.К. Игнатовича [5] и О. Шерпфа [6].

Этот эффект интересен с точки зрения новых подходов к созданию поляризованных пучков и получения новой информации о среде. На основе данного эффекта возможно создание пучков, имеющих 100% поляризацию, он открывает возможности использования даже неполяризованных пучков нейтронов для изучения магнитных сред.

Третье исследование (глава IV) посвящено изучению в рефлектометрическом эксперименте рассеяния поляризованных нейтронов магнитными возбуждениями. Это новое направление в рефлектомстрии поляризованных нейтронов и мы находимся только в самом его начале. Развитие этого направления неотъемлемо связано с разработкой новой методики, не имеющей пока аналогов в мире.

Целью работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование эффектов, связанных с взаимодействием пучка поляризованных нейтронов с неколлинеарными магнитными структурами: проявление геометрической фазы волновой функции нейтрона при эволюции его спина в стационарном неколлинеариом магнитном поле; незеркалыюе отражение поляризованных нейтронов от ферромагнитной среды, обладающей недиагональной матрицей отражения, и развитие новой экспериментальной методики для исследований магнитных возбуждений поверхности.

В соответствии с целью работы поставлены следующие основные задачи:

1. Провести теоретический анализ эволюции спина нейтрона в прецессирующем магнитном поле.

2. Экспериментально зарегистрировать проявление геометрической фазы волновой функции нейтрона при пропускании пучка поляризованных нейтронов через стационарную неколлинеарную конфигурацию магнитного поля.

3. Получить информацию из экспериментальных данных о геометрической фазе иа основе модели прецессирующего магнитного поля.

4. Изучить экспериментально эффект незеркального отражения поляризованных нейтронов от однородной анизотропной FeCo-пленки на стеклянной подложке при повороте внешнего магнитного поля относительно плоскости пленки на некоторый угол.

5. Составить программу вычислений коэффициентов отражения поляризованных нейтронов от магнитной пленки на немагнитной подложке в случае неколлинеарности прикладываемого магнитного поля к поверхности пленки.

6. Реализовать новую методику регистрации рассеянных поляризованных нейтронов на поверхностных магнитных возбуждениях.

Результаты, выносимые на защиту

1. Теоретически показано, что при прохождении нейтроном области с прецессирующим магнитным полем неадиабатическая эволюция его спина эффективно сводится к адиабатической переходом от рассмотрения реального магнитного поля к эффективному и геометрическая фаза равна телесному углу, очерчиваемому эффективным магнитным полем на сфере Пуанкаре.

2. Впервые экспериментально обнаружен одновременное проявление геометрической фазы волновой функции нейтрона как в условиях адиабатической эволюции так и в условиях неадиабатической эволюции на одном магнитном контуре. Определена зависимость геометрической фазы от длины волны нейтрона.

3. Обнаружен эффект незеркалыюго отражения поляризованных нейтронов при угле порядка 70° между внешним полем и поверхностью намагниченной до насыщения пленки FeCo на стеклянной подложке.

4. Проведено моделирование отражения поляризованных нейтронов от магнитной пленки на немагнитной подложке при прикладывании внешнего поля под углом к поверхности. Подгонка модели под экспериментальные данные позволила уточнить основные параметры пленки (толщину магнитного слоя, химический состав), угол между внешним полем и поверхностью пленки.

5. Развита методика по поиску неупругого рассеяния поляризованных нейтронов на магнитных возбуждениях поверхности. Создан новый времяпролетный рефлектометр поляризованных нейтронов РЕФЛЕКС-П. Определены его характеристики.

Научная новизна

При анализе задачи об эволюции спина Уг в прецессирующем с произвольной частотой магнитном поле впервые удалось установить закономерность, позволяющую свести неадиабатическую эволюцию к адиабатической. Достигается это благодаря переходу к рассмотрению вместо реального прецессирующего поля к эффективному, относительно которого эволюция спина всегда носит адиабатический характер.

В исследовании геометрической фазы волновой функции нейтрона впервые реализована схема эксперимента, при которой одновременно можно получить информацию как об адиабатической геометрической фазе так и иеадиабатической. Этого удалось добиться благодаря использованию метода времени пролета при неизменном магнитном контуре. В такой схеме, характер эволюции спина нейтрона определяется скоростью его прохождения через магнитный контур или его длиной волны. Таким образом, в одном времяпролетном спектре присутствует информация о набранной геометрической фазе с разными параметрами адиабатичности.

Наблюдение эффекта незеркального отражения нейтронов проведено практически в одно время с группой Г. Фелшера, где этот эффект был впервые экспериментально наблюден [7]. Решая совершенно другую задачу, Фелшер с сотрудниками случайно зафиксировали незеркалыюе отражение поляризованных нейтронов, и впрследствии правильно истолковали наблюдаемый эффект. Представляемую работу в этой области можно рассматривать как независимое подтверждение эффекта незеркального отражения, которая является логическим завершением сделанных ранее работ по теоретическому предсказанию эффекта, сделанным сотрудником ЛНФ В.К. Игнатовичем [6].

Тестовые эксперименты, проведенные на недавно созданном рефлектометре поляризованных нейтронов РЕФЛЕКС-П продемонстрировали соответствие его параметров аналогичным установкам ведущих мировых нейтронных центров. На спектрометре разработана уникальная методика проведения измерений по неупругому рассеянию в рефлектометрическом эксперименте.

Практическая ценность работы

Задача по изучению геометрической фазы волновой функции нейтрона относится к классу задач имеющих больше мировоззренческое значение. Задача о геометрической фазе возникла только в 80-х годах 20 века именно из-за ее "незаметности" для практического использования. Открытая в 198*1 г теоретиком из Бристольского университета М.В. Берри геометрическая фаза волновой функции вызвала целый бум работ, непрекращающийся по сей день, что связано с открытием по сути нового раздела квантовой механики. В нашей работе впервые найденны закономерности проявления геометрической фазы в конкретном случае эволюции спина нейтрона в прецессирующем магнитном поле.

Работа, связанная с наблюдением эффекта незеркального отражения нейтронов от магнитных сред с недиагональными матрицами отражения имеет богатую перспективу практического использования. При работе на монохроматическом пучке эффект может быть использован для создания идеальных поляризаторов, поскольку незеркально отраженные пучки имеют 100% поляризацию. Для немонохроматических пучков на основе данного явления можно создавать фильтры, вырезая из падающего спектра узкие спектральные полосы. Эффект перспективен как основа методики изучения магнитных образцов с использованием неполяризованных нейтронов. Физические принципы, лежащие в основе данного эффекта дают возможности развития методики частичного решения проблемы фазовой неопределености в решении обратной задачи рассеяния в рефлектометрии.

Создание новой установки с поляризованными нейтронами РЕФЛЕКС-П имеет большое значение не только для лаборатории ЛНФ, но и для всей России, поскольку это всего лишь третья установка подобного рода в стране дополнительно к рефлектометру в ПИЯФ РАН (г. Гатчина) и рефлектометру - РЕМУР, (ОИЯИ, Дубна).

Личный вклад автора

Автор участвовал во всех работах, результаты которых вошли в диссертацию, в проведении экспериментов и обсуждении научных результатов, в развитии методики проведения эксперимента. Все экспериментальные данные обработаны автором диссертации.

Структура и объем работы

Диссетрация состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения. Работа изложена на 93 страницах, включая 34 рисунка и 78 наименований литературы.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы; приводятся результаты, выносимые на защиту; описываются научная новизна и практическая ценность диссертации, а также личный вклад автора.

Первая глава посвящена краткому описанию принципов методики магнитной рефлектометрии и дано описание спектрометра СПН-1 и нового рефлектометра РЕФЛЕКС-П, на которых были выполенены научные исследования вошедшие в данную диссертацию.

Вторая глава диссертации посвящена проблеме геометрической фазы волновой функции нейтрона при эволюции его спина в неколлинеарных магнитных полях. В ней дано краткое теоретическое рассмотрение проблемы геометрических фаз применительно к частицам, обладающим полуцелым спином. Проведен литературный обзор по экспериментальному изучению геометрической фазы в оптике поляризованных нейтронов. Получено выражение для геометрической фазы при эволюции спина нейтрона в прецессирующих магнитных нолях. Дано подробное изложение особенностей методики измерений фазы волновой функции, описана экспериментальная установка. Приведены экспериментальные результаты и их интерпретация. Сделаны выводы по этой части работы.

Третья глава посвящена изучению незеркального отражения нейтронов от магнитных сред, обладающих недиагоналыюй матрицей отражения. В главе дано краткое введение в методологию рефлектометрии поляризованных нейтронов, дано обоснование наблюдаемого эффекта, описана методика измерений. Приведены экспериментальные результаты и их интерпретация. Сделаны выводы.

Четвертая глава посвящена описана принципиально новой методики по изучению магнитных возбуждений поверхности методом рефлектометрии. Приведены первые предварительные результаты.

В выводах сформулированы основные результаты работы.

Выводы

Приведем основные результаты диссертационной работы:

1. Проведен теоретический анализ задачи возникновении геометрической фазы волновой функции нейтрона в прецессирующем магнитном поле с произвольной частотой. Установлено, что переходя от рассмотрения реального магнитного поля к эффективному, возникающему в такой системе, удается свести задачу о неадиабатической эволюци к адиабатической.

2. Впервые экспериментально измерена геометрическая фаза волновой функции нейтрона при эволюции его спина в неколлинеарном магнитном поле. Благодаря использованному методу времени пролета в одном спектре удалось одновременно наблюдать как адиабатическую так и неадиабатическую фазы. На основе модели прецессирующего поля получена спектральная зависимость геометрической фазы от длины волны нейтрона.

3. Экспериментальным путем впервые доказан факт расщепления поляризованного пучка нейтронов при отражении от намагниченного зеркала, помещенного в магнитное поле, составляющее ненулевой угол с поверхностью пленки. Измеренны физические характеристики расщепления. Составлена программа расчета амплитуд волн, отраженных от магнитной пленки на немагнитной подложке, помещенной в магнитное поле неколлинеарное намагниченности пленки. Вычисленные спектры отраженных интенсивностей с учетом реальных параметров спектрометра удовлетворительно совпадают с экспериментально измеренными.

4. Предложена новая методика измерения неупругого рассеяния поляризованных нейтронов на магнитных возбуждениях поверхности тонких пленок.

5. На реакторе ИБР-2 создан новый рефлектометр поляризованных нейтронов РЕФЛЕКС-П с рекордным угловым разрешением.

Заключение.

В заключение автор хотел бы почтить память и выразить глубокую благодарность своему наставнику и учителю, автору всех поставленных задач, безвременно ушедшему Дмитрию Анатольевичу Корнееву, под непосредственным руководством которого автор проработал на протяжении восьми лет.

Особую признательность автор хотел бы выразить своему научному руководителю B.JT. Аксенову, под чьим руководством проходила работа над диссертацией.

Автор признателен В.К. Игнатовичу за постоянный интерес к работам и ценные замечания, Н.К. Плешанову, В.Ю. Помякушину, за полезные и плодотворные дискуссии.

Автор благодарен сотрудникам Отдела нейтронных исследований конденсированных сред Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка ОИЯИ, в котором выполнена работа, и коллективу реактора ИБР-2, на котором получены экспериментальные результаты диссертации. W

Список публикаций по теме диссертации

1. D.A. Korneev, V.I. Bodnarchuk, L.S. Davtyan, Observation of nonadiabatic geometrical effects in a time-of-flight experiment with polarized neutrons, Physica В 213&214 (1995) 993995.

2. В.И. Боднарчук, JI.C. Давтян, Д.А. Корнеев, Эффекты геометрической фазы в нейтронной оптике, УФН, 166 (1996) 2.

3. D.A. Korneev, V.I. Bodnarchuk, V.K. Ignatovich, Off-specular neutron reflection from magnetic media with nondiagonal reflectivity matrices. Письма в ЖЭТФ 63, (1996) 12, с. 900.

4. D.A. Korneev, V.I. Bodnarchuk, V.F. Peresedov, V.V. Zhuravlev, A.F. Schebetov, Inelastic mode of polarized reflectometer REFLEX-P for observation of surface phonons and magnons, Physica В 276-278 (2000) 314-315.

5. Д.А. Корнеев, В.И. Боднарчук, С.П. Ярадайкин, Спектрометр поляризованных нейтронов РЕФЛЕКС-П, препринт ОИЯИ РЗ-2002-189,2002.

1. Ю.Г. Абов, А.Д. Гулько, П.А. Крунчицкий, Поляризованные медленные нейтроны, Москва М., Атомиздат, 1966.

2. П.А. Крунчицкий, Фундаментальные исследования с поляризованными медленными нейтронами, М., Энергоатомиздат, 1985.

3. Halpern О., Holstcin Т. Phys. Rev., 59 (1941) 960.

4. G.P. Felcher, Phys. Rev. В 24 (1981) 1595.

5. В.К.Игнатович, Письма в ЖЭТФ 28 (1978) 311.

6. О. ЗсНафГ, J. Appl. Cryst. 11 (1978) 626.

7. G.P. Felcher, S. Adenwalla, V.O. de Haan. A.A. van Well, Nature 377 (1995) 409.

9. Ахиезер А.И., Померанчук И.Я. ЖЭТФ, 18 (1948) 475,

10. И.И. Гуревич, Л.В. Тарасов, Физика нейтронов низких энергий. Москва М., Наука, 1965. II. В.Г. Барышевский, Ядерная оптика поляризованных сред, М. Энергоатомиздат, Москва, 1995.

11. Hughes D.J., Burgy М.Т., Phys.Rev., 81 (1951) 498.

12. Д.А. Корнеев, Поверхность, физика, химия, механика, 2 (1989) 13.

13. К. Блум Теория матрицы спиновой плотности и ее приложения, Москва, М., Мир, 1983.

14. Д.А. Корнеев, Л.П. Черненко препринт ОИЯИ, Р4-89-709, 1989.

15. Schwink, О. Schaфf, Z. Phys., В21 (1975) 305.

16. Д.А. Корнеев, Поверхность, физика, химия, механика, 2 (1989) 13.

17. S. Alvardo, М. Campagna, Н. Hopster, Phys. Rev. Lett. 48 (1982) 51.

18. Д.А. Корнеев, Л.П. Черненко, препринт ОИЯИ Р4-87-400,1987.

19. G.P. Felcher, Physica В, 267&268 (1999) 154-161.

20. C.F. Majkrzak, Physica В, 213&214 (1995) 904-909.

21. FTasset, Physica В 213&214, (1995) 935-938.

22. A.И, Окороков, Поверхность, Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 7 (1997) 55.

23. D,A,Kornccv, V.V. Pasyuk, A.V. Petrenko, E.B. Dokukin, Surface X-Ray and Neutron Scattering (Editors H.Zabel and I.K.Robinson), Springer-Verlag (1992) 213-217.

24. D.A. Korneev, Nucl.Instr. and Meth., 169 (1980) 65. *^

25. V.L. Aksenov, D.A. Komeev, L.P. Chemenko, SPIE, 1738 Neutron Optical Devices and Appl. (1992) 335. 27.* Д.А. Корнсев, В.И. Боднарчук, СП. Ярадайкин, препринт ОИЯИ РЗ-2002-189,2002.

26. В.М. Пусенков, Формирование высокоинтенсивпых пучков поляризованных нейтронов нейтроноводами с суперзеркальными отражающими покрытиями. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. ПИЯФ, Гатчина, 2002.

27. I.V. Bondarenko, V.I, Bodnarcuk, S.N. Balashov, P. Geltenbort, A.G. Klein, A.V. Kozlov, D.A. Komeev, S.V. Masalovich, V.G. Nosov, A.I. Frank, P. Hoghoj, A. Cimmino, Phys. of Atomic Nucl. 62 No. 5. (1999) 721.

28. E.B. Dokukin, D.A. Komeev, W. Loebner, V.V. Pasjuk, A.V. Petrenko, H. Rzany, препринт ОИЯИ (1988) ЕЗ-88-459.

29. Bom М., Fock V. //Zs.Phys. 1928. Bd 51. S. 165.

30. Berry M.V. //Proc. Roy. Soc. Sen A. 392 (1984) 45.

31. У.И. Франкфурт, A.M. Френк, «Оптика движущихся тел», М, Наука 1972, с. 71.

32. Aharonov Y. Bohm D., Phys. Rev. 115, N3 (1959) 485.

33. F.S. Ham, Phys. Rev. Lett., 58 (1987) 725.

34. B.G. Levi, Phys. Today 3 (1993) 17.

35. Hannay J. H. J.Phys.A: Math.Gen. 18 (1985) 221.

36. Рытов СМ., ДАН СССР 28 (1938) 263.

37. Владимирский В.В., ДАН СССР 31 (1941) 222.

38. Pancharatnam S. Proc.Indian.Acad.Sci.Sect. А 44 (1956) 247.

39. Simon В., Phys.Rev.Lett. 51 (1984) 2167.

40. Дубровин Б.А., Новиков СП., Фоменко А.Т., Современная геометрия. М., Наука, 1986

41. Wilczek F., Zee А. Phys. Rev. Lett. 52 (1984) 2111.

42. Aharonov Y., Anandan J. Phys.Rev.Lett. 58 (1987) 1593.

43. Jordan T.F. Phys.Rev., A38, (1988) 1590.

44. Клышко Д.Н. УФН. 163 (1993) 11.

45. Bitter Т., Dubbers D., Phys.Rev.Lett. 59 (1987) 251.

46. Richardson D.J., et al. Phys.Rev.Lett. 61 (1988) 2030.

47. Weinfurter H., Badurek G. Phys.Rev.Lett. 64 (1990) 1318. 50.* В.И. Боднарчук, Л.С Давтян, Д.А. Корнеев УФН, 166 (1996) 2.

48. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. М., Физматгиз, 1963. 52.* D.A. Komeev, V.I. Bodnarchuk, L.S. Davtyan Physica В 213«S:214 (1995) 993. fy

49. A.G. Wagh, G. Badurek, V.C. Rakhecha, R.J. Bucheh, A. Schricker, Phys.Lett. A 268 (2000) 209-216.

50. A.I. loffe, S.G. Kirsanov, V.I. Sbitnev, V.S Zabiyakin, Phys.Lett. A 158 (1991) 433.

51. Y. Hasegawa, M. Zawisky, H. Rauch, A.I. loffe, Phys.Rev. A 53 (1996) 2486.

52. A.G. Wagh, V.C. Rakhecha, J. Summhammer, G. Badurek, H. Weinfurter, B.E. Allman, H. Kaiser, K. Hamacher, D.L. Jacobson, S.A. Werner, Phys.Rev.Lett., 77 (1997) 755,.

53. A.G. Wagh, V.C. Rakhecha, P. Fischer, A loffe, Phys.Rev.Lett., 81 (1998) 1992,.

54. Y. Hasegawa, R Loidl, G. Badurek, M. Baron, N. Manini, F. Pistolesi, H. Rauch, Phys.Rev. A, 65, (2002) 52111. 60.* Д.А. Корнеев, В.И. Боднарчук, В.К, Игнатович Письма в ЖЭТФ 63, (1996) 12, с. 900.

55. N.K. Pleshanov, Z. Phys. В 94 (1994) 233.

56. В.И. Боднарчук, Совещание по использованию рассеяния нейтронов в исследованиях конденсированного состояния, РНИКС-1997, г. Заречный, устный доклад.

57. N.K. Pleshanov, Physica В, 269 (1999) 79.

58. Ш. Шильштейн, В.А. Соменков, М. Каланов, ЖЭТФ 63 (1972) 2214.

59. К.М. Podurets, S.S. Shilstein, Physica В 297 (2001) 263.

60. К.М. Подурец, Исследование макроструктуры вещества с помощью преломления нейтронов. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук, М.,2000.

61. V.L. Aksenov, Е.В. Dokukin, S.V. Kozhevnikov, Yu.V. Nikitenko, A.V. Petrenko, J. Shreiber, Physica В 234-236 (1997) 513.

62. V.L. Aksenov, S.V. Kozhevnikov, Yu.V. Nikitenko, Physica В 276-278 (2000) 956. ^ 69. H. Fredrikze, M.Th.Rekveldt, A.A. van Well, Yu.V. Nikitenko, V.G. Syromyatnikov, Physica В 248 (1998) 157.

63. R.W.E. van de Kuijs, H. Fredrikze, M.Th. Rekveldt, A.A. van Well, Yu.V. Nikitenko, V.G. Syromyatnikov, Physica В 283 (2002) 189.

64. D.L. Mills in Surface Excitation, edited by V.M. Agranovich and R.Loudon. North Holland, Amsterdam, chap. 3.1984.

65. M. Grimsditch, S. Kumar, E.E. Fullerton, Phys. Rev. В 54 (1994) 3385.

66. B.P. Toperverg, V.V Dcriglazov, V.E. Mikhailova, Physica В 183 (1993) 326.

67. S.V. Maleyev, Sov. Sci. Rev. A 8 (1988) 323.

68. A.I. Okorokov, B.B Ру1юв, Б.П. Топерверг, А.Д. Третьяков, Е.И. Мальцев, И.М Пузсй, В.Е. Михайлова, Письма в ЖЭТФ 43 (1986) 390. к; I-. J .Ir.

69. V. Derglasov, A. Okorokov, V. Runov, В Toperverg, R. Kampmann, H. Eckerlebe, W. Schmodt, W. Lobner, Physica В 180&181 (1992) 262.

70. P. Muller-Buschbaum, J.S. Gutmann, R. Cubitt, M. Stamm, Colloid Polym. Sci. 277 (1999) 1193. 78.* D.A. Korneev, V.I. Bodnarchuk, V.F. Peresedov, V.V. Zhuravlev, A.F. Schebetov, Physica В 276-278 (2000) 314-315.