證明查德威克之誤——英國散裂中子源的40年_風聞
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2024年是英國ISIS中子用户裝置運行的40週年。自從20世紀40年代開始，中子散射已成為研究從人類細胞到量子自旋的強大實驗手段。在本文中，來自ISIS中子源的Rosie de Laune和她的同事們詳細回顧了中子散射技術的科學進程，並介紹了該裝置在過去40年裏取得的重要科學成果。
編譯 | 羅會仟（中國科學院物理研究所）
來源 | 選自《物理》2025年第2期
據悉，英國物理學家詹姆斯·查德威克 (James Chadwick) 在1932年發現中子的時候説道：“恐怕中子對任何人都毫無用處。”其實，查德威克是大錯特錯了！因為英國的中子用户裝置——ISIS中子及繆子源如今已運行了40年，超過60000名來自世界各地的科學家建立了全球化的中子散射用户羣。
在查德威克的時代，科學家們認為原子內部雖然含有質子和電子，但大部分都是真空的。不過仍然有一些無法解釋的觀測結果，比如氦原子核的質量和電荷數不一致的問題。中子的發現為這個問題尋找到了確切答案。事實上，查德威克的工作不僅幫助我們更清楚認識了原子結構，而且開闢了凝聚態物理的嶄新領域——中子散射。正如其他亞原子粒子，中子也具有波動性，而且它的波長與原子間距相當。這意味着，如果一束中子被物質所散射，那麼它也將形成一些特定的干涉圖像。而且，由於中子是電中性的，它將比X射線和電子具有更強的穿透性，可以直達原子核併發生相互作用。
如今，諸如ISIS這樣的中子源有很多，它們可以用於研究各種物質。舉個例子，通過探測航天器的部件並研究宇宙線中的高能中子對太陽能電池中元件的傷害，可以幫助我們提升無人駕駛汽車和飛行器的可靠性。
中子散射的開端
1942年12月2日，來自美國芝加哥大學的費米 (Enrico Fermi) 領導的科學家團隊，見證了世界首個自持性鏈式核裂變反應堆的誕生，這改變了整個人類歷史，也開啓了原子能科學的新篇章。當時在現場有一位從事X射線散射的物理學家沃倫 (Ernest O. Wollan)，在1936年中子的波動性被確證之後，他就意識到可以利用類似芝加哥那樣的反應堆來產生中子，進而用於研究晶體中的原子位置。沃倫隨後來到了位於美國田納西的橡樹嶺國家實驗室，在那裏建造了第二台可控核反應堆。在1944年，他的團隊成功觀測到了氯化鈉和石膏鹽的中子布拉格衍射圖案。幾年後，舒爾 (Clifford Schull) 加入了沃倫的團隊，改進了該技術並建造了世界首台用於中子散射的設備。舒爾在1994年因中子散射的工作而獲得諾貝爾物理學獎，一起獲獎的還有發明中子譜學的布洛克豪斯 (Bertram Brockhouse)，遺憾的是沃倫因為十餘年前已去世而未能獲獎。
早期用於中子散射的核反應堆都是多用途的。首台用於產生中子的反應堆是位於美國布魯克海文國家實驗室的“高束流反應堆”(High Flux Beam Reactor)，建於1965年。緊接着的是1972年的法國勞厄—朗之萬研究所的中子源，該中子源一直運行至今。ISIS走了一條不同於反應堆的路線，採用了1970年代發明的“散裂中子”技術——藉助加速質子轟擊重金屬靶來產生中子。高能質子與靶中的原子核發生對撞並被吸收，然後散裂出包括中子在內的許多高能粒子。第一個用於中子散射的散裂中子裝置是於1980年運行的KENS裝置，位於日本材料結構科學研究所。同期還有1981年運行的強脈衝中子源 (Intense Pulsed Neutron Source)，位於美國的阿貢國家實驗室。
隨着ISIS中子源的設計和建設，散裂中子源相關技術得到了迅速的發展。該裝置於1977年立項，1984年12月16日成功產生第一束中子。1985年10月該裝置被命名為ISIS，由時任英國首相的撒切爾夫人剪綵。時至今日，已有大約20個反應堆或散裂中子源遍佈世界各地，歐洲散裂中子源 (European Spallation Source) 也正在瑞典如火如荼地建造中。ISIS這個名字源自於流經牛津的一條河流，也是古埃及神話中轉世女神伊西斯的名字。因為ISIS相當於NIMROD質子加速器的涅槃重生，該裝置從1964年開始運行到1978年退役，ISIS重新利用了其基建結構和許多部件。
中子與繆子的產生方式
ISIS的核心是一台800 MeV的加速器，它可以每秒產生50個高能質子脈衝。質子脈衝打到兩個不同的鎢靶上，被轟擊的鎢原子核發生散裂併產生中子飛向四面八方。在使用中子作為散射介質之前，需要將它們減速，主要通過一系列叫做慢化器的部件來實現。ISIS採用了各種不同工作温度環境的慢化器，它們可以產生各種不同波長的中子束流，以覆蓋從埃米(10-10 m)到數百納米(10-9 m)尺度的各種材料研究需求。
圍繞兩個靶站和慢化器的是25個不同的束線，用於引導中子到每個具體的實驗站，其中大部分用於中子衍射探究各種物質的結構，包括晶體、非晶以及液體材料等。當中子被散射後，它們實際上也可能和材料內部發生了少量的能量轉移，因此激發了原子或分子的振動。ISIS有7條束線站用於研究有能量轉移的中子散射過程，這個技術被稱為“中子譜學”。該技術可以告訴我們原子或分子的鍵合信息，研究比熱、電阻和磁性相互作用等。中子具有自旋，所以它們對材料的磁學性質也很敏感。中子衍射亦可以用來探究諸如亞鐵磁等各種磁有序態，中子譜學則可以用於研究磁激發態。
雖然中子可以測量各種短程或長程的磁有序，但對於一些磁矩非常小的局域效應，就需要用到另一種手段——μSR。從1987年起，ISIS也可以產生繆子束流，用於μSR的相關研究。在鎢靶之前放置一張碳箔，當質子穿過時就會產生π子，π子隨後迅速衰變成為繆子。不同於中子散射過程，繆子會駐留在材料內部，然後迅速衰變為正電子。通過分析正電子的衰變過程，科學家們就可以探究中子難以研究的極弱靜態磁矩或自旋漲落。正是如此，繆子和中子技術通常作為互補實驗手段，在一個大裝置裏實現和使用。
ISIS的負責人羅傑·埃克萊斯頓 (Roger Eccleston) 介紹道：“ISIS的設施覆蓋了中子和繆子科學領域的大範圍研究。我們經常鼓勵用户羣體提供反饋意見和發展建議，這促使我們建設了4台新譜儀和5次較大的改造，以進一步提升並優化設施的性能。”他還説道：“ISIS是我畢業後的第一份工作，儘管我也在其他地方工作過，但ISIS始終是我職業生涯的重要一環。在這裏，我見證了許許多多重要的科技發展和創新，促使我不斷思考並最終迴歸。”
在過去的40年裏，ISIS中子源研究的樣品越來越小，也越來越複雜，但測量卻變得越來越高效。現在，化學反應動力學過程甚至可以即時可視化，極端温度和壓力等樣品環境也能輕鬆實現。早期ISIS的科研工作主要集中在物理和化學領域，例如高温超導材料物性、化學材料結構、水的相變行為等等。最近，利用該裝置，科研人員已經可以“看見”催化的即時過程，研究細胞膜等生物系統，改善無人駕駛汽車控制電路的可靠性等。
理解生命的基石
不同於X射線和電子，氫等輕原子核對中子的散射非常劇烈，意味着中子可用於探究水或有機材料。液態水幾乎遍佈我們星球，但是其特殊的分子結構導致了它具有極複雜的化學和物理性質。在2000年左右，來自英國和意大利的科學家對水的相變行為開展了一項重要研究，他們發現，液態水在壓力下會出現低密度和高密度兩種不同結構之間的相變。
隨着ISIS技術水平的不斷提升，人們甚至可以研究水作為“生命分子”在細胞內部的行為，這是蛋白質摺疊和化學反應等生命活動的重要支撐。在2023年，來自葡萄牙的研究團隊利用ISIS設施來探究細胞內的水是否可以作為癌症的生物標識。因為細胞內的水受限於納米尺度空間，它們將體現出與正常水不一樣的性質。在該尺度下，水的物性對環境極其敏感，如果細胞發生癌變就會發生變化。該團隊證明這個變化可以被中子譜學所探測，即在癌細胞中的水具有更強的機動性。
如果光入射到兩個具有不同折射率的界面處並角度合適的話，就會發生全反射現象。同樣，類似的反射效應在中子遇到材料界面時也可能會發生。ISIS的中子反射譜儀主要用於測量薄膜樣品的厚度、表面粗糙度和化學成分等。2018年，一個來自英國的團隊利用該技術手段研究了一種作用於細菌外膜的強效抗生素，這種抗生素僅在人體體温範圍內有效。研究人員發現在此温度範圍內，位於細胞外膜的抗生素分子的熱運動使得它們更容易進入細胞內部，從而徹底破壞細菌結構。
探索量子世界
就在ISIS開始運行的一年之後 (1986年)，瑞士IBM實驗室的物理學家柏諾茲 (Georg Bednorz) 和繆勒 (Karl Alexander Müller) 發現了35 K的高温超導材料，比當時已知超導材料的臨界温度記錄提升了12 K。這個發現很快就在1987年獲得了諾貝爾物理學獎。高温超導電性是1980年代最重要的科學發現之一，也是ISIS早期的研究重點。另一個重大突破出現在1987年，釔-鋇-銅-氧 (YBCO) 體系被發現具有77 K以上的高温超導電性，這意味着超導不再依賴於昂貴的液氦，而僅用更低廉的液氮冷卻就能實現。YBCO的材料結構就是由美英科學家在ISIS測定的。
另一個在ISIS研究的典型量子體系就是“量子自旋液體” (QSL)。我們知道，大部分磁性系統在降温之後會形成諸如鐵磁序等磁有序基態，但是量子自旋液體是電子自旋強相互作用系統，即使被冷卻到絕對零度，也不會形成磁有序結構。理論上，量子自旋液體表現出長程糾纏性質，從而可以用於量子計算和通訊，受到了科研界廣泛的關注。但是，實驗上確證量子自旋液體具有很大的挑戰性。最近，來自ISIS的中子散射和繆子譜學研究證明一類材料可能具有自旋液體態。
開發可持續方案和新材料
多年來，為了實現越來越極端和複雜的樣品環境，ISIS的實驗裝置不斷改進。大約20年前，一個英國研究團隊在ISIS進行的高壓中子實驗表明，他們設計的表面活性劑可以增強液態二氧化碳的溶解性，這可能為食品和製藥工業開闢出一種環保解決方案，甚至替代傳統化石溶劑的使用。
今天，隨着樣品環境、探測技術和數據分析軟件的進一步發展，使我們能夠即時觀察化學反應過程，而且保持原料處於與其實際應用條件非常相似的環境中。最近，英國和德國的一個研究團隊利用中子成像技術監測了一種廣泛應用於化工行業的催化劑，以提高反應效率。很難有合適的方法能夠真正觀察到催化反應過程，但中子成像技術卻能夠做到即時可視化。
另一個重要的發現是在ISIS剛開始運行時，即著名的巴基敏斯特富勒烯，或簡稱“巴基球”的發現。巴基球是一個由60個碳原子組成的球狀分子，類似於足球的外形。首個合成C60分子的科學家獲得了1996年的諾貝爾化學獎。科學家們利用中子散射等手段來研究這種碳的同素異形體，比如把巴基球聚集在一起形成的固態晶體。在1990年代初期，來自ISIS對晶態巴基球的研究表明，儘管室温下相鄰分子的取向隨機，但是在249 K以下它們形成了一種有序結構以降低體系能量。40多年來，富勒烯 (包含巴基球在內的碳材料家族) 持續帶來了許多研究機遇。藉助一種稱為“分子手術”的過程，合成化學家可以在富勒烯籠中開一個小口，從而能夠插入原子、離子或分子簇。最近，ISIS的中子散射研究被用來表徵困在巴基球內的氦原子。這些內插富勒烯有助於我們理解與受限粒子相關的量子力學過程，從光伏到藥物遞送等方面都具有潛在應用。
中子和繆子不僅在未來應用材料研究中大放異彩，而且在材料、方法和文化等方面具有獨特的探索視角。在ISIS，藉助中子和繆子的強穿透性和非破壞性特點，人們研究了許多珍寶，如古埃及的蜥蜴棺和古日本武士的頭盔，在不破壞這些珍貴文物的情況下，幫我們認識過去的世界。
洞悉內在並展望未來
如果你想認識清楚事物為何出現結構性失效，就必須深入其內部一探究竟，中子對材料的強穿透能力使得工程師們能夠做到這一點。ISIS的Engin-X束線站可通過測量原子晶格平面的間距來檢測材料中的應力。該技術已廣泛應用於航空航天、石油和天然氣勘探、汽車以及可再生能源等方面的研究。
最近，ISIS也和一些公司合作，嘗試使用中子來輻照他們的芯片，由此模擬宇宙射線在大氣中產生的高能中子，它們可能會破壞電子設備的可靠性。所以，當你下一次安全地飛行、開車或上網時，ISIS也悄然提供了幫助。
過去的40年裏有了如此之多的重要發現和技術發展，ISIS已經成功證明查德威克當年的論斷是完全錯誤的。該科學設施正着眼於未來數十年的中子散射研究。“要預測科研的未來是十分具有挑戰性的，不過我們仍然可以圍繞幾個方向來開展研究”，ISIS的副主任朗瑞奇 (Sean Langridge) 認為，“科學，通過發現、合成、調控新材料來發掘其內在社會價值。此外，我們還將藉助中子的優勢來對材料功能進行工程設計和優化，比如，儘可能延長其使用壽命並降低對環境的影響。”
在未來，相關需求會持續不斷並越來越複雜，相關數據也會與日俱增。在ISIS產生的大量數據集還可以藉助機器學習技術來分析，由此鑑定出傳統方法無法找出的新現象，進而幫助我們發現新材料。在ISIS的40週年慶典之際，中子的利用展示了其在物理領域的巨大價值，下一代中子和繆子源的可行性設計也正在進行中。四十年裏的中子應用已超所值，下一段數十年裏，我們對英國中子和繆子科學的發現充滿無限期待。
本文經授權轉載自微信公眾號“中國物理學會期刊網”，編譯自Rosie de Laune. Physics World，2024，(12)：26。
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