極化中子是一個無失真的測量手段，不僅能夠幫助我們探尋磁儲存材料，還是研究超導體最重要的手段之一。這種基礎科學的研究，看似距離我們十分遙遠，在未來卻對人類社會的發展有巨大影響…
出品：格致論道講壇
以下內容為中國散裂中子源科學中心研究員童欣
演講實錄：
大家好，我是童欣，來自中國科學院高能物理研究所。作為一名比較普通的科研工作者，我研究極化中子這個領域和方向已經快20年了。
用中子當探針
極化中子可能聽起來有些陌生，但說中子大家是不是就都知道了？中子是一個非常小的粒子，我們每個人身上都有很多很多。宇宙萬物基本上都由原子組成，原子的內部有一個很小的東西叫原子核，原子核裏就存在著很多很小的中子。
圖中大的圓球就是原子核，小的球就是中子。我所做的研究就是使用一些方法產生這些中子，然後利用極化中子做磁性的研究，因為極化中子是研究復雜磁性的探針。
▲國家同步輻射實驗室
探針是什麽？我們能看見東西，是因為可見光作為探針在幫助我們，這是我在上中學期間知道的唯一的探針。上大學之後，我們學校有一個國家同步輻射實驗室，這個實驗室會產生大量的X射線，而X射線也是一種探究世界、特別是微觀世界的探針。
不管是可見光還是X射線，它們都屬於電磁波的範疇。可見光最多可以讓我們看到比頭發絲再小一點的物體，但是要看到非常微觀的結構，比如蛋白質裏的原子是如何排列的，我們就需要用到X射線。
▲X射線測量新冠病毒的蛋白結構
蛋白結構的測量非常重要，跟我們人類的生活是息息相關的。在過去幾年，X射線作為探針測量了新冠病毒的蛋白結構。只有了解病毒蛋白的結構，才能透過有效的藥物和疫苗攻擊和殺死它。
▲電子測量單細胞放射蟲
在電磁波外的另外一種探針叫電子。原子裏面有原子核，它外層有電子，也可以用來看微觀的結構。這幅照片就是使用電子去看單細胞的放射蟲。
我們科研人員希望把微觀的世界和宏觀的宇宙世界都了解清楚，這就需要很多不同的探針。在讀博士期間，我們學校有另外一個裝置叫低能中子源，是產生很多自由中子的一個裝置。
中子被強相互作用力束縛在原子核裏，如果我們用一個能量很高的帶電粒子去轟擊這個原子核，就可以把它擊碎。擊碎了之後，我們就可以利用這種脫離原子核束縛的中子作為一種探針去研究微觀的世界。
這聽起來好像離我們的生活很遙遠，但事實上，利用中子作為探針去研究微觀的世界已經有接近80年的歷史了。在1944年，右邊這位蹲著調樣品的科學家歐内斯特·沃蘭（Ernest Wollan），他是美國橡樹嶺國家實驗室的一名科研人員，寫了左邊的這封信，首次提出利用中子散射技術去研究微觀原子的結構，也就是原子是如何排列的。
接下來的十幾年中，沃蘭和他身後站著抽煙鬥的科學家克里福·沙爾（Clifford Shull）進行了大量的最前期的中子實驗，獲得了很多珍貴的實驗數據。
到1994年，有兩位科學家獲得了物理學的諾貝爾獎，左邊這位是沙爾，右邊是加拿大的一位科學家伯特倫·布羅克豪斯（Bertram Brockhouse）。
為什麽最早寫那封信的沃蘭沒有獲得諾獎呢？因為他在1984年就去世了。所以如果大家對諾獎抱有興趣的話，一定要保護好自己的身體。
▲左：中子顯示原子的位置
右：中子顯示原子的行為
諾獎委員會表彰了沙爾利用中子研究原子的位置，以及布羅克豪斯利用中子研究原子的行為。而這些之所以能做到，和中子的特點是息息相關的。
在所有的物質當中，原子是一個一個排在一起的，原子之間的距離大概是10的-10次方米左右，我們叫埃。要測量這麽小的距離，我們必須要用一個小小的尺子，而剛好中子的波長就是埃這個量級，所以這個尺子就是中子。同樣的，中子的能量是毫電子伏，也可以研究原子是如何移動的。
還有一個很重要的點就是，中子帶有磁性，可以被極化，這就涉及到我的研究領域了。利用中子探針，沃蘭和沙爾第一次確認了反鐵磁的結構，中子打在這個材料的某一個特殊方向上會有一個很強的反鐵磁訊號，揭示出裏面原子的磁結構是向上或向下的，整體呈現沒有磁性的狀態。
用布羅克豪斯的話總結就是：「中子是我們世界的基礎粒子之一，如果沒有被發現，那它應該被發明
。」中子就是這麽重要。
極化中子探磁性
我在讀博士期間就對中子探針很感興趣。在博士畢業之後，我來到美國橡樹嶺國家實驗室美國散裂中子源。
▲美國散裂中子源
這是美國在2006年投資14億美元建設的一個大科學裝置，目的是為了產生中子，並且利用中子作為探針去研究微觀的世界。我在這裏工作了十年零一個月。
中子像一個個小磁鐵，在一束中子中方向是雜亂無章的。但是如果我有一種方法能夠把所有的中子排列地很好，它就是極化的中子束。利用極化的中子束，我們就可以看到非常復雜的原子內部的微觀的磁性以及它的變化。
這幅圖給出的是磁力線。大家都知道，磁場旁邊是有磁力線的，但是磁力線看不見、摸不著。我們利用極化中子，就可以對磁力線進行很好的觀測以及表征。
我在橡樹嶺的時候，負責產生極化中子的裝置、運輸極化中子的平台以及整個實驗和套用設施的搭建。左圖是我搭建的極化中子實驗的平台，右圖是一系列極化中子相關的器材，有一些是產生極化中子的，有一些是運輸極化中子的，還有有一些是用來分析極化中子的極化方向的。利用這些器材，我們做了大量的工作。
▲測量Fe3Pt的磁相變過程
這是研究一個小磁性物品內部磁相變的過程。所有物品在溫度很高的情況下裏面都不帶有磁性，但是當溫度下降時，它的磁性就慢慢顯現出來了。我們利用極化中子穿過這個物體，就可以看到在425K（約152℃）的時候，它裏面有大量磁性，影像是黑色的；隨著溫度上升到大概450K（約157℃）的時候，我們再利用極化中子打過去，就發現裏面的磁性全都沒有了。這是一個很簡單的例子，告訴大家我們如何利用極化中子研究復雜的磁性。
建設我們自己的極化中子裝置
在2018年9月，我回到祖國，加入了中國科學院高能物理研究所的東莞分部。在東莞市的大朗鎮，我們建設了華南區目前唯一的國家大科學裝置——中國散裂中子源。
在這個中子源裏，我們利用散裂的技術產生了大量的中子，並利用這些中子研究微觀的物質及其動力學。
▲完成了極化中子全鏈條研發工作
我在散裂中子源的工作是搭建極化中子產生以及套用的平台。在過去五年，我完成了極化中子全鏈條的研發工作，包括了一些核心技術和元件的研發和制備，以及利用我們自己研制的器材和技術去做一些前沿科研的套用。
其中有一個關鍵核心器件是一個特殊的氣室，裏面是一個玻璃容器，灌有一些氣體。我們可以看到，非極化中子束經過這個氣室之後，出來的就是極化中子束。在我回來之前，我們國家還沒有能力去做這樣特殊的氣室。但是經過長時間不斷探索、調整工藝，最終我們在東莞的散裂中子源成功制作出了這些特殊的氣室。
為什麽造這些特殊的氣室很困難？大家可以看一下上圖。這個氣室裏面的氣壓是超過大氣壓的，我們利用火焰槍把氣室摘除的時候，裏面的氣體是會跑出來的。為了避免這種情況，我們把玻璃氣室按在離-196℃的液氮大概三五厘米的地方，再利用火焰槍切割玻璃，把它封起來。
這個工藝非常困難，我們經過十次、百次的試錯最終才完成，並填補了此前的空白。利用自己研制的這些器材以及技術，我帶領團隊建成了我們國家首個極化中子實驗裝置，目前這個實驗裝置就安在中國散裂中子源的一個中子終端上。
在這張照片裏，中子從最左邊出來，經過一系列極化的裝置、運輸的裝置，然後到分析的裝置，就可以完成一些復雜的極化中子實驗。
▲左：純鋁螺線管樣品（長6厘米，直徑3厘米）
中：樣品前後加裝導引磁場環境
右：磁場數值模擬
其中一個實驗就是利用極化中子測量封閉螺線管內部的磁場分布。這是用其他任何測量磁場的方法都是不可能做到的，因為用來測量的探針進不去螺線管的內部。但是中子因為不帶電，它的穿透性很強，可以穿透到物體內部，它的極化就會被內部的磁場所改變，這樣就可以探知到螺線管內部的磁場的分布，以及它的大小、方向和改變。
▲左：YBCO（釔鋇銅氧）超導體
右：測得的磁場
另外一項工作是利用極化中子這個技術和平台測量超導體表面的邁斯納效應。邁斯納效應是一個學術術語，指的是在超導狀態下，外部的磁場是不會穿過去的，碰到了超導體只能拐彎，或者在它的表面上走。
在我們研發出這個技術和平台之前，我們也是沒有任何辦法測量超導體表面的磁場大小以及分布的，因為所有的測量都會影響它的表面磁場。但是現在，我們利用極化中子這種無失真的測量手段，讓它穿過超導體，並且跟表面的磁場作用，就可以反推、解析出超導體表面磁場的分布。我們測量的結果跟邁斯納效應的理論預測非常吻合。
研究儲存和超導都離不開極化中子
這些都是非常基礎的研究，大家可能會好奇，這些研究和我們的生活到底有什麽相關的地方？我給大家舉兩個很簡單的例子，第一個例子就是研究磁儲存材料。
▲巨磁阻改變日常生活
我們現在所有電子產品的儲存材料都是一個一個很小的磁鐵，它就是一個反鐵磁的磁鐵，每一個磁性的改變，從上往下就是0到1的一個位元的改變。
在過去四五十年當中，利用極化中子測量巨磁阻，可以知道不同巨磁阻材料的分布是不是非常好的反鐵磁，它是否是一個旋轉的磁鐵，以及它每一層的厚度和分布。這個厚度非常重要，我們所謂的納米技術3納米、5納米、7納米，很大程度上指的就是每一個位元中間隔的厚度。這是極化中子技術做出來的基礎科研。
▲未來新型的磁儲存材料
現在的磁儲存技術已經向著非常復雜的磁性方向發展了。這個叫磁斯格明子（Skyrmion），利用極化中子也可以研究斯格明子的演變過程、不同材料中斯格明子存在的形態，這些都是極化中子也許能為人類社會做出的一些貢獻。
另外一個可能的貢獻就是超導。這是電影【阿凡達】的劇照，所有懸浮在天空中的山都是由室溫超導體所組成的。室溫超導體是所有科學家夢寐以求的材料，我們目前還做不到，但是我們希望能夠朝著這個方向走。
一個目前不能超導的材料，我們透過其他材料的調控手段，是不是有辦法讓它變成超導？這些最基礎的科學問題都是需要利用極化中子來研究的。事實上，在過去幾十年當中，利用極化中子去做中子散射研究，已經成為研究超導體最重要的手段之一。
我相信，隨著極化中子技術的發展，未來它必定會為超導體乃至材料科學的發展和進步貢獻更多的力量。
謝謝大家！
「格致論道」，原稱「SELF格致論道」，致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展，由中國科學院電腦網絡資訊中心和中國科學院網絡安全與資訊化辦公室主辦，中國科普博覽(中國科學院科普雲平台)提供技術支持。
