中性子スピンエコー

中性子スピンエコー分光法は、1970年代にフェレンツ・メゼイによって発明され、ジョン・ヘイターと共同で開発された非弾性中性子散乱技術です。 ^[1] メゼイは、その研究と他の分野での功績が認められ、1999年に第1回ウォルター・ヘールグ賞を受賞しました。

磁気共鳴において、スピンエコーは共鳴電磁放射のパルスによるスピン磁化の再収束である。スピンエコー分光計は極めて高いエネルギー分解能（およそ100,000分の1）を有する。さらに、運動量移動Qと時間の関数として密度-密度相関（または中間散乱関数）F(Q,t)を測定する。他の中性子散乱技術は動的構造因子S(Q,ω)を測定し、これはフーリエ変換によってF(Q,t)に変換できるが、実際には難しいかもしれない。弱い非弾性特性の場合、S(Q,ω)の方が適しているが、（遅い）緩和の場合、自然な表現はF(Q,t)で与えられる。 NSEは他の中性子散乱技術と比較して非常に高い有効エネルギー分解能を有するため、ポリマーブレンド、アルカン鎖、マイクロエマルジョンなどの材料における過剰減衰内部動的モード（緩和）やその他の拡散プロセスを観察するための^{理想的な方法です。NSE分光法}^[3]の並外れた威力は、最近さらに実証されました^[4]^[5]NHERF1とTaqポリメラーゼのタンパク質と接着結合における結合した内部タンパク質ダイナミクスの直接観察により、^[6]運動中のタンパク質ナノマシンを直接視覚化できるようになりました。 ^[7] この技術に関する基本的なレビューがいくつかあります。^[8]^[9]^[10]^[11]^[12]

仕組み

中性子スピンエコーは飛行時間法の一種である。中性子スピンに関しては、NMR の分野でよく知られているハーンエコー^[13]と非常によく似ている。どちらの場合も、時間によるスピンの位相ずれによる分極（磁化）の損失は、効果的な時間反転操作によって回復し、分極の回復（再位相）につながる。NMRでは、原子核の位置における局所場の変化によって位相ずれが起こるのに対し、NSEでは、入射する中性子ビーム内の中性子速度が異なるために位相ずれが起こる。試料の前の磁場を伴う準備領域における中性子スピンのラーモア歳差運動は、ビーム内の中性子の個々の速度を歳差運動角にエンコードする。試料の近くでは、いわゆるフリッパーによって時間反転が行われる。対称デコードゾーンが続き、その終了時に準備ゾーンで蓄積された歳差角が正確に補正され (サンプルが中性子の速度を変えなかった場合、つまり弾性散乱の場合)、すべてのスピンが再位相して「スピンエコー」を形成します。理想的には、完全な偏光が復元されます。この効果は、入射中性子の速度/エネルギー/波長に依存しません。サンプルでの散乱が弾性ではなく、中性子の速度を変える場合、再位相は不完全になり、最終的な偏光が失われます。これは、中性子が対称の第 1 (コーディング) および第 2 (デコード) 歳差ゾーンを通過するのに必要な時間の差の分布に依存します。時間差は、サンプルでの非弾性散乱によって得られる速度変化によって発生します。これらの時間差の分布は、散乱関数 S(Q,ω) のスペクトル部分に比例します (準弾性高解像度分光法に適した線形近似)。測定されたビーム偏光への影響は、スペクトル関数のcos フーリエ変換、つまり中間散乱関数F(Q,t) に比例します。時間パラメータは、中性子の波長と歳差角と (逆) 速度を結び付ける係数に依存します。この係数は、たとえば、準備ゾーンとデコードゾーンに特定の磁場を設定することで制御できます。磁場を変更することで、t のスキャンを実行できます。

重要な点として、スピン操作はすべて中性子の速度変化を検出するための手段に過ぎず、技術的な理由から、測定された強度のスペクトル関数のフーリエ変換の観点で影響を与える。中性子の速度変化は、NSEを使用することで得られる物理的情報を伝える。

$I(Q,t)\propto S(Q)+\int \cos(\omega t)\,S(Q,\omega )\,dt$ ここで、および。 $\omega \propto \Delta v$ $t\propto B\times \lambda ^{3}$

B は歳差運動場の強度、λ は（平均）中性子の波長、Δv はサンプルでの散乱による中性子の速度変化を表します。

NSE を使用する主な理由は、上記の方法により、最大数百ナノ秒のフーリエ時間を達成できるため、neV 範囲のエネルギー分解能に相当します。分光中性子計測器、つまり後方散乱分光計 (BSS) によるこの分解能に最も近いのは、0.5 ～ 1 μeV の範囲です。スピンエコートリックにより、10% 以上の波長分布を持つ強力な中性子ビームを使用し、同時に 10 ⁻⁴未満の範囲の速度変化に敏感になります。

注: 上記の説明は、ラウエ・ランジュバン研究所(ILL)の IN11 装置で初めて使用された汎用 NSE 構成を前提としています。共鳴スピンエコー、準備ゾーンとデコードゾーンの最後にあるフリッパーに DC フィールドと RF フィールドを集中させ、磁場のない (ゼロフィールド) NRSE などの他のアプローチも可能です。原則として、これらのアプローチは、最終強度信号と中間散乱関数の接続に関しては同等です。技術的な問題により、現在まで汎用 (IN11) NSE タイプと同じレベルのパフォーマンスには達していません。^[要出典]

何を測定できるか

ソフトマターの研究では、高分子の構造は小角中性子散乱（SANS）によって調査されることが多い。一部の分子では水素と重水素が交換されるため、同じ化学種間でも散乱コントラストが生じる。SANS回折パターンは、実空間で解釈すると、分子配列のスナップショット画像に対応する。中性子スピンエコー機器は、SANS強度の非弾性広がりを解析し、それによって高分子物体の動きを解析することができる。^[14] 大まかな類推は、SANSのようなスナップショットではなく、特定の開口時間を持つ写真である。そのため、分子の配列の変化を時間の関数として解析することができる。開口時間は、NSE分光計の設定に依存するフーリエ時間に対応し、磁場（積分）と中性子波長の3乗に比例する。数百ナノ秒までの値が得られる。散乱実験の空間分解能はナノメートルの範囲であることに注意してください。つまり、たとえば 100 ns の時間範囲は、1 nm/100 ns = 1 cm/s の有効分子運動速度に相当します。これは、この種の実験で使用される一般的な中性子速度 200..1000 m/s と比較できます。

スピン非干渉性散乱（陽子から）

通常の飛行時間型(TOF) または後方散乱分光計を使用する多くの非弾性研究では、陽子の巨大な非干渉性中性子散乱断面積に依存しています。散乱信号は、陽子の (平均) 自己相関関数 (時間内) を表す対応する寄与によって支配されます。

NSE スピンの非干渉性散乱には、散乱中に 2/3 の確率で中性子スピンが反転するという欠点があります。したがって、散乱強度の 2/3 が「非偏光」背景に変換され、非干渉性強度に関連する cos-フーリエ積分寄与の前に -1/3 の係数が置かれます。この信号は、干渉性エコー信号から減算されます。結果は、NSE のみを使用した場合は分解できない複雑な組み合わせになる可能性があります。ただし、純粋なケース、つまり陽子による圧倒的な強度寄与がある場合、NSE を使用して非干渉性スペクトルを測定できます。

NSE の強度状況は、ソフトマターサンプルなどでは、小角中性子散乱 ( SANS )の場合と同じです。低運動量移動 ( Q ) でコヒーレント散乱コントラストを持つ分子物体は、インコヒーレント背景散乱よりもかなり高い強度でコヒーレント散乱を示します。この効果は、Q が大きくなるにつれて弱まります。水素を含むシステムの場合、コントラストにはいくらかの陽子の存在が必要であり、必然的に散乱強度にいくらかのインコヒーレント寄与が追加されます。さらに、重陽子でも弱いスピンインコヒーレント散乱強度が追加されます。SANS では、これらの Q に依存しない強度は通常、背景と見なされ、差し引かれます。NSE 実験では、これらは存在し、Q が増加するにつれてより重要な混合物になる可能性があります。

完全にプロトン化されたサンプルでは、SANSバックグラウンドレベル程度の強度で、インコヒーレント測定が成功します。^[15] 注: NSE技術のスピン操作によるこの干渉は、スピンインコヒーレント散乱でのみ発生します。同位体インコヒーレント散乱では、「通常の」NSE信号が生成されます。

既存の分光計

IN11 ( ILL、グルノーブル、フランス)

IN15 ( ILL、グルノーブル、フランス)

NL2a J-NSE「PHOENIX」（JCNS、ドイツ、ユーリッヒ、 FRM II Munich主催、ドイツ、ミュンヘン）

NL5-S RESEDA ( FRM II ミュンヘン、ミュンヘン、ドイツ)

V5/SPAN (ハーンマイトナー研究所、ベルリン、ドイツ)

C2-3-1 iNSE (JRR-3、東海、日本)

BL06 VIN-ROSE (MLF、J-PARC、東海、日本)

BL-15 NSE ( SNS、ORNL、オークリッジ、米国 )

NG5-NSE ( NCNR、NIST、ゲイサーズバーグ、米国)

参照

参考文献

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