Réfléchir et polariser les neutrons: Miroirs et - Institut Laue

Des miroirs à neutrons, pour quoi faire ?
réflexion totale, mais aussi dans une direction
Pour effectuer des expériences de physique avec les
supplémentaire (diffraction de Bragg) seulement
neutrons il faut pouvoir les guider vers les échantillons
fonction de la distance de répétition des couches (le
à étudier et les concentrer. Accroître l'intensité des
pas) (fig. 2). Le pouvoir réflecteur, lui, dépend du
faisceaux permet en effet d'aborder des problèmes de
contraste entre couches (matériaux choisis) et de leur
plus en plus difficiles.
nombre.
Développée et perfectionnée à l'ILL depuis 15 ans,
©1995 - Institut Laue-Langevin
la technologie des miroirs multicouches et supermiroirs
permet des gains de plusieurs ordres de grandeur pour
Réfléchir et polariser
les neutrons:
Miroirs et Supermiroirs
l'étude des polymères et du magnétisme de la matière
(domaine où le neutron est roi), ainsi que pour la
recherche fondamentale sur le neutron lui-même.
Réfléchir les neutrons.
Le neutron, l'une des trois particules constitutives
des atomes avec l'électron et le proton, possède une
onde associée. Celle des neutrons produits à l'ILL est
Figure 2. Principe d’un miroir multicouche.
principalement dans la gamme 0.7 à 100 Å. Certaines
surfaces métalliques réfléchissent ces neutrons comme
Par exemple, 15 couches de titane (non
la surface de l'eau réfléchit la lumière rasante, mais sous
réfléchissantes) et 15 de nickel (angle de réflexion
des angles d'incidence inférieurs au degré, trop petits
totale proche de 1°) alternées au pas de 0,008 microns
pour un usage commode en tant que miroirs.
offrent une réflectivité de presque 100% vers 2°, mais
La technologie ILL pour augmenter cet angle est
basée sur l'empilement de couches alternées très fines
Figure 1. Evaporateur automatique pour la fabrication
de supermiroirs à neutrons.
une réflectivité plus faible entre cette valeur et l'angle
de réflexion totale du mélange nickel-titane (fig. 3).
de deux matériaux différents du point de vue des
Pour combler ce ‘trou‘ de réflectivité et avoir un
neutrons: une couche très réfléchissante, une couche
miroir efficace de 0 à 2°, il suffit d'empiler des
peu réfléchissante (angle de réflexion totale presque
multicouches de périodes croissantes et judicieusement
nul). Avec un nombre suffisant de couches, le
choisies (fig. 3). Ces composites appelés ‘supermiroirs
multicouche se comporte comme un cristal d'un
à neutrons’ permettent d'atteindre des angles de
matériau qui n'existe pas dans la nature et qui réfléchit
réflexion totale de plusieurs degrés.
les neutrons, non seulement dans le domaine de
Comment fabrique-t-on un supermiroir ?
Polariser les neutrons.
magnétique sont seuls transmis par réflexion sur les
On utilise la technique de l'évaporation sous vide.
Pour cela, on choisit un matériau magnétique
miroirs et le faisceau en sortie a une épaisseur de l'ordre
L'ILL possède deux évaporateurs automatisés (fig. 1)
(cobalt) pour les couches les plus réfléchissantes, un
qui produisent 6 miroirs par jour depuis quinze ans. Il a
matériau non magnétique (titane) pour les autres, et on
Dernier problème, il faut piéger les neutrons de
donc fallu une grande patience pour réaliser les 10.000
optimise certains paramètres de fabrication. Un tel
polarisation inverse à ceux réfléchis par les miroirs.
miroirs qui équipent maintenant des instruments de
supermiroir, placé dans un champ magnétique, réfléchit
S’ils les traversent, ou sont réfléchis par le substrat en
l'ILL et ceux d'autres centres de recherche !
la quasi totalité des neutrons de spin d'orientation
verre de chaque supermiroir, ils risquent de se retrouver
opposée à celle du champ magnétique et laisse passer
plus ou moins mélangés avec les ‘bons’ neutrons à la
les autres. Cette technique très performante permet
sortie. Pour séparer le bon grain de l'ivraie on intercale
d'atteindre des taux de polarisation proches de 100%.
donc, entre supermiroir et verre, un matériau absorbant
de celle de l'empilement.
bien les neutrons sans les réfléchir. Ceci garantit en
sortie des neutrons de polarisation unique.
Supermiroirs et physique fondamentale.
Les physiciens travaillent à une théorie d'unification
des forces fondamentale (gravitation, électromagnétique, électro-forte, électro-faible) et ceci
suppose une bonne connaissance de certaines
constantes physiques. L'ILL participe à cette recherche
en mesurant, par exemple, la façon dont le neutron libre
Figure 3. Réflectivités d’un multicouche et d’un
supermiroir.
se désintègre spontanément. Les supermiroirs
polarisants ont permis d'accroître d'un facteur 75.000 la
sensibilité de l'une des méthodes de mesure.
Polariser les neutrons, pourquoi ?
Le neutron tourne sur lui-même (spin) et se
Figure 4. Schéma d’un collimateur polarisant constitué
d’un ensemble de supermiroirs courbés.
comporte comme un aimant 100.000 fois plus petit
Les supermiroirs polarisants ont aussi permis l'étude
de phénomènes difficiles à observer tels que : la
violation de parité de la désintégration ß du neutron, la
qu'un atome. Cette minuscule boussole est une sonde
Avec un seul supermiroir on n'obtiendrait qu'un
très sensible pour étudier le magnétisme de la matière,
faisceau polarisé très fin car l'angle de réflexion totale
type d'atome par type d'atome. Encore faut-il orienter
est, malgré tout, assez faible. On empile donc plusieurs
dans la même direction tous les spins (tous les axes de
supermiroirs puis on courbe le tout (fig. 4). Les
boussoles) du faisceau de neutrons.
neutrons de polarisation anti-parallèle au champ
phase de Berry, la rotation de spin des neutrons
traversant certains matériaux, la recherche de
l'antiferromagnétisme nucléaire du cuivre, le
comportement des neutrons ‘habillés‘, etc.
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