Dispersión inelástica de neutrones

La dispersión inelástica de neutrones es una técnica espectroscópica que utiliza neutrones en lugar de fotones. Se usa en investigación de materia condensada para estudiar movimiento atómico y molecular, así como excitaciones magnéticas y de campo cristalino, aprovechando el hecho de que los neutrones tienen espín. Se distingue de otras técnicas de dispersión de neutrones porque estudia la interacción inelástica entre los neutrones y la muestra, esto es, resuelve no sólo el cambio de energía $\hbar \omega$ sino también el vector de dispersión q como la diferencia entre el vector de ondas entrante y el saliente. Estas magnitudes se relacionan por la ley de dispersión inelástica S(q,ω).

Dificultades

Esta técnica, comparada con espectroscopias de fotones, conlleva una serie de dificultades particulares:

La obtención y manejo de neutrones sólo es posible por medio de instalaciones especializadas. Así pues, es inviable la realización de experimentos de dispersión inelástica de neutrones en un laboratorio universitario corriente. Es necesario, corrientemente, solicitar tiempo de uso en alguno de los pocos centros que dispone de estas instalaciones, y desplazarse hasta allí con la muestra.
La interacción de un neutrón con un momento magnético es muy improbable, de forma que la inmensa mayoría atraviesa la muestra en vano. Como aumentar la potencia del haz tiene un gran coste, pues ésta depende del reactor nuclear y de la guía especial que conduce a los neutrones, la opción más viable para mejorar la relación señal/ruido es utilizar una gran cantidad de muestra. En la práctica, se usa una masa del orden de 2-20 gramos.
Por la misma causa, es preciso recoger datos durante varias horas para cada muestra, ya que, de otro modo, la relación señal-ruido es insuficiente para extraer conclusiones. Usualmente, se toman entre 3 y 6 horas de datos para cada temperatura (por ejemplo, 2, 10 y 30 Kelvin) y para cada longitud de onda (por ejemplo, 4.1 y 5.9 Angstrom).
Como complicación adicional, la interacción de los neutrones con los protones (núcleos del ¹H) es muy intensa, de forma que las muestras que contienen cantidades apreciables de ¹H dispersan muy intensamente el haz de neutrones, perdiendo mucha calidad el espectro. Esto, en la práctica, obliga al uso de muestras completamente deuteradas, en las que la proporción de átomos de ¹H sea mínima.

Tipos

dispersión de neutrones de triple eje, un dispositivo experimental en el que el haz (de neutrones, en este caso) cambia de dirección dos veces entre el monocromador y el detector, resultando en tres ejes espaciales que permiten determinar el cambio en energía y momento lineal de los neutrones

dispersión de neutrones de tiempo de vuelo, un dispositivo experimental en el que se regula la velocidad inicial y momento de entrada de los neutrones, y el tiempo transcurrido hasta la detección se relaciona con la ganancia o pérdida de energía en la interacción con la muestra

retrodispersión de neutrones

eco de espín de neutrones

Datos: Q11681119