В Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка ОИЯИ разрабатывается и тестируется новый метод исследования границ раздела в тонкопленочных гетероструктурах – изотопно-идентифицирующая нейтронная рефлектометрия. Применение метода на спектрометре импульсного источника нейтронов — это уникальная мировая практика, которая может иметь большие перспективы для развития наноэлектроники, сверхпроводящей спинтроники и квантового компьютинга.

В. Д. Жакетов

В ЛНФ ОИЯИ на спектрометре РЕМУР (8-й канал исследовательского реактора ИБР-2) проводилось исследование границ раздела в наноструктурах, в состав которых входят металлы со сверхпроводящими и магнитными свойствами. Вначале для этого использовалась общеизвестная методика рефлектометрии поляризованных нейтронов. Метод нейтронной рефлектометрии заключается в регистрации отраженного от гетероструктуры сколлимированного пучка тепловых нейтронов. Регистрируется суммарная энергия взаимодействия нейтронов с элементами среды, распределенными по глубине структуры. Однако этот метод имеет и недостаток: он позволяет четко исследовать магнитные свойства структуры, но не позволяет видеть, как распределены в ней отдельные химические элементы. Чтобы сделать метод универсальным, позволяющим одновременно получить все данные как о распределении магнитных свойств, так и о распределении химических элементов и их изотопов, на спектрометре РЕМУР были созданы дополнительные каналы регистрации. Это привело к созданию нового объединяющего метода, который получил название «изотопно-идентифицирующая нейтронная рефлектометрия».

По словам участника исследований, научного сотрудника сектора нейтронной оптики ЛНФ к. ф.-м. н. Владимира Жакетова, до создания изотопно-идентифицирующей нейтронной рефлектометрии распределение элементов в образцах структур приходилось изучать с помощью дополнительных методик, — как правило, в других научных центрах. «Зачастую данные, полученные разными методами, некорректно коррелировали между собой, — отметил ученый. — Поэтому необходимо было метод рефлектометрии поляризованных нейтронов сделать универсальным, чтобы всю информацию о структуре было возможно получить в одном эксперименте. Для этого мы развили метод изотопно-идентифицирующей нейтронной рефлектометрии».

Рис. 1 а) Ионизационная камера (1), установленная в гониометре (2) спектрометра РЕМУР; b) схема ионизационной камеры: 1 — пучок нейтронов; 2 — входное и выходное окна; 3 — катод; 4 — сетка; 5 — рамка сетки; 6 — коллектор (анод)

При поглощении нейтронов различными изотопами было предложено регистрировать не только поляризованные нейтроны, но и различного типа вторичное излучение: заряженные частицы, гамма-кванты, осколки деления ядер. Дополнительные каналы регистрации позволяют наряду с построением профиля средней (по поверхности) плотности из нейтронной рефлектометрии определить профили распределения отдельных элементов по глубине структуры.

Первое измерение вторичного излучения в виде гамма-квантов при отражении нейтронов от структуры, содержащей слои гадолиния, который обладает большим сечением реакции (n, γ), было проведено в 1994 г. в США на стационарном источнике нейтронов с постоянной длиной волны нейтрона. Первые же эксперименты ОИЯИ по регистрации вторичного излучения от слоистых структур проводились в 1998‒2000 гг. на реакторе ИБР-2, который обладает большим преимуществом по сравнению со стационарными источниками нейтронов: ИБР-2 является импульсным источником, и на нем, применяя метод времени пролета, можно за одно измерение получить информацию для различных значений энергии нейтронов. В 2010-е годы это направление в ОИЯИ было возобновлено. С 2014 г. в ОИЯИ проводится модернизация рефлектометра РЕМУР, направленная на создание различных каналов регистрации вторичного излучения. В 2015 – 2016 годах исследователи начали работать над чертежами аппаратуры, а в 2018 – 2019 приступили к монтажу на спектрометре. Проект реализуется в коллаборации двух отделений ЛНФ: нейтронных исследований и разработок в области конденсированных сред (Ю. В. Никитенко, А. В. Петренко, В. Л. Аксенов, В. Д. Жакетов) и ядерной физики (Ю. Н. Копач, Н. А. Гундорин, Ю. М. Гледенов, К. Храмко, Э. Сансарбаяр). К настоящему времени основные работы по созданию метода изотопно-идентифицирующей рефлектометрии нейтронов на спектрометре РЕМУР завершены. Реализованы и протестированы каналы регистрации вторичного излучения: заряженных частиц, гамма-квантов и нейтронов с переворотом спина. По итогам работ опубликованы научные статьи, проект находится в стадии апробации, и методика уже применяется для реальных научных задач.

Рис. 2 а) Картина распределения интенсивности нейтронов на детекторе в плоскости N_zN_t: 1 — преломленный пучок; 2 — отраженный пучок; b) карта распределения интенсивности счета тритонов (1) и альфа-частиц (2) в ионизационной камере в зависимости от амплитуд сигналов (номера канала) с анода (N_Aa) и катода (N_Ac)

В настоящий момент реактор ИБР-2 остановлен до осени 2023 года. Сейчас исследователи обрабатывают полученные данные и пишут программное обеспечение для следующих экспериментов. Уже есть идеи следующих шагов по развитию нового метода.

Флагманской задачей в развитии метода Владимир Жакетов назвал исследование сверхпроводящих магнитных гетероструктур. «Если брать объемное вещество, то магнитные свойства сверхпроводников и ферромагнетиков противоположны. Но в наноразмерных гетероструктурах, с толщинами слоев единицы-десятки нанометров, эти явления начинают сосуществовать, и это обусловливает множество интересных новых явлений, которые можно использовать для наноэлектроники, сверхпроводящей спинтроники, развития квантового компьютинга», — пояснил он.

Среди различных направлений совершенствования метода эксперт назвал модернизацию различных узлов спектрометра, что позволит расширить набор определяемых элементов, а также их изотопов (так, к настоящему времени уже было определено распределение в образце двух изотопов гадолиния 155Gd и 157Gd). Также будет развиваться процедура обработки данных. Возможно улучшить и разрешение метода, которое сейчас достигает до 1 нм по глубине структуры. «Можно продвинуться и далее, вплоть до атомарного уровня, до разрешения где-то 1 ангстрем», — рассказал ученый. Он добавил, что одно из направлений, планируемых к развитию, — это исследование актинидных гетероструктур. «Известно, что у актинидов и их соединений есть необычные ферромагнитные и сверхпроводящие свойства, которые мало изучены; сверхпроводящие и ферромагнитные свойства тонких слоев актинидов практически не изучены. Тут наш метод как никогда подходит, поскольку актиниды, взаимодействуя с нейтронами, излучают гамма-кванты и осколки деления, и мы их можем регистрировать», — добавил он.