这个被束缚在原子核里的小东西有多重要？如果没有被发现，那它应该被发明｜童欣——科学讲坛

中子是我们世界的基础粒子之一，

如果没有被发现，

那它应该被发明。

童欣· 中国散裂中子源科学中心研究员

格致论道第105期｜2023年11月8日 广州

大家好，我是童欣，来自中国科学院高能物理研究所。作为一名比较普通的科研工作者，我研究极化中子这个领域和方向已经快20年了。

用中子当探针

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极化中子可能听起来有些陌生，但说中子大家是不是就都知道了？中子是一个非常小的粒子，我们每个人身上都有很多很多。宇宙万物基本上都由原子组成，原子的内部有一个很小的东西叫原子核，原子核里就存在着很多很小的中子。

图中大的圆球就是原子核，小的球就是中子。我所做的研究就是使用一些方法产生这些中子，然后利用极化中子做磁性的研究，因为极化中子是研究复杂磁性的探针。

▲国家同步辐射实验室

探针是什么？我们能看见东西，是因为可见光作为探针在帮助我们，这是我在上中学期间知道的唯一的探针。上大学之后，我们学校有一个国家同步辐射实验室，这个实验室会产生大量的X射线，而X射线也是一种探究世界、特别是微观世界的探针。

不管是可见光还是X射线，它们都属于电磁波的范畴。可见光最多可以让我们看到比头发丝再小一点的物体，但是要看到非常微观的结构，比如蛋白质里的原子是如何排列的，我们就需要用到X射线。

▲X射线测量新冠病毒的蛋白结构

蛋白结构的测量非常重要，跟我们人类的生活是息息相关的。在过去几年，X射线作为探针测量了新冠病毒的蛋白结构。只有了解病毒蛋白的结构，才能通过有效的药物和疫苗攻击和杀死它。

▲电子测量单细胞放射虫

在电磁波外的另外一种探针叫电子。原子里面有原子核，它外层有电子，也可以用来看微观的结构。这幅照片就是使用电子去看单细胞的放射虫。

我们科研人员希望把微观的世界和宏观的宇宙世界都了解清楚，这就需要很多不同的探针。在读博士期间，我们学校有另外一个装置叫低能中子源，是产生很多自由中子的一个装置。

中子被强相互作用力束缚在原子核里，如果我们用一个能量很高的带电粒子去轰击这个原子核，就可以把它击碎。击碎了之后，我们就可以利用这种脱离原子核束缚的中子作为一种探针去研究微观的世界。

这听起来好像离我们的生活很遥远，但事实上，利用中子作为探针去研究微观的世界已经有接近80年的历史了。在1944年，右边这位蹲着调样品的科学家欧内斯特·沃兰（Ernest Wollan），他是美国橡树岭国家实验室的一名科研人员，写了左边的这封信，首次提出利用中子散射技术去研究微观原子的结构，也就是原子是如何排列的。

接下来的十几年中，沃兰和他身后站着抽烟斗的科学家克利福德·沙尔（Clifford Shull）进行了大量的最前期的中子实验，获得了很多珍贵的实验数据。

到1994年，有两位科学家获得了物理学的诺贝尔奖，左边这位是沙尔，右边是加拿大的一位科学家伯特伦·布罗克豪斯（Bertram Brockhouse）。

为什么最早写那封信的沃兰没有获得诺奖呢？因为他在1984年就去世了。所以如果大家对诺奖抱有兴趣的话，一定要保护好自己的身体。

▲ 左： 中子显示原子的位置

右： 中子显示原子的行为

诺奖委员会表彰了沙尔利用中子研究原子的位置，以及布罗克豪斯利用中子研究原子的行为。而这些之所以能做到，和中子的特点是息息相关的。

在所有的物质当中，原子是一个一个排在一起的，原子之间的距离大概是10的 -10次方 米左右，我们叫埃。要测量这么小的距离，我们必须要用一个小小的尺子，而刚好中子的波长就是埃这个量级，所以这个尺子就是中子。同样的，中子的能量是毫电子伏，也可以研究原子是如何移动的。

还有一个很重要的点就是，中子带有磁性，可以被极化，这就涉及到我的研究领域了。利用中子探针，沃兰和沙尔第一次确认了反铁磁的结构，中子打在这个材料的某一个特殊方向上会有一个很强的反铁磁信号，揭示出里面原子的磁结构是向上或向下的，整体呈现没有磁性的状态。

用布罗克豪斯的话总结就是：“中子是我们世界的基础粒子之一，如果没有被发现，那它应该被发明。”中子就是这么重要。

极化中子探磁性

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我在读博士期间就对中子探针很感兴趣。在博士毕业之后，我来到美国橡树岭国家实验室美国散裂中子源。

▲美国散裂中子源

这是美国在2006年投资14亿美元建设的一个大科学装置，目的是为了产生中子，并且利用中子作为探针去研究微观的世界。我在这里工作了十年零一个月。

中子像一个个小磁铁，在一束中子中方向是杂乱无章的。但是如果我有一种方法能够把所有的中子排列地很好，它就是极化的中子束。利用极化的中子束，我们就可以看到非常复杂的原子内部的微观的磁性以及它的变化。

这幅图给出的是磁力线。大家都知道，磁场旁边是有磁力线的，但是磁力线看不见、摸不着。我们利用极化中子，就可以对磁力线进行很好的观测以及表征。

我在橡树岭的时候，负责产生极化中子的装置、运输极化中子的平台以及整个实验和应用设施的搭建。左图是我搭建的极化中子实验的平台，右图是一系列极化中子相关的设备，有一些是产生极化中子的，有一些是运输极化中子的，还有有一些是用来分析极化中子的极化方向的。利用这些设备，我们做了大量的工作。

▲测量Fe3Pt的磁相变过程

这是研究一个小磁性物品内部磁相变的过程。所有物品在温度很高的情况下里面都不带有磁性，但是当温度下降时，它的磁性就慢慢显现出来了。我们利用极化中子穿过这个物体，就可以看到在425K（约152℃）的时候，它里面有大量磁性，图像是黑色的；随着温度上升到大概450K（约157℃）的时候，我们再利用极化中子打过去，就发现里面的磁性全都没有了。这是一个很简单的例子，告诉大家我们如何利用极化中子研究复杂的磁性。

建设我们自己的极化中子装置

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在2018年9月，我回到祖国，加入了中国科学院高能物理研究所的东莞分部。在东莞市的大朗镇，我们建设了华南区目前唯一的国家大科学装置——中国散裂中子源。

在这个中子源里，我们利用散裂的技术产生了大量的中子，并利用这些中子研究微观的物质及其动力学。

▲完成了极化中子全链条研发工作

我在散裂中子源的工作是搭建极化中子产生以及应用的平台。在过去五年，我完成了极化中子全链条的研发工作，包括了一些核心技术和元件的研发和制备，以及利用我们自己研制的设备和技术去做一些前沿科研的应用。

其中有一个关键核心器件是一个特殊的气室，里面是一个玻璃容器，灌有一些气体。我们可以看到，非极化中子束经过这个气室之后，出来的就是极化中子束。在我回来之前，我们国家还没有能力去做这样特殊的气室。但是经过长时间不断探索、调整工艺，最终我们在东莞的散裂中子源成功制作出了这些特殊的气室。

为什么造这些特殊的气室很困难？大家可以看一下上图。这个气室里面的气压是超过大气压的，我们利用火焰枪把气室摘除的时候，里面的气体是会跑出来的。为了避免这种情况，我们把玻璃气室按在离-196℃的液氮大概三五厘米的地方，再利用火焰枪切割玻璃，把它封起来。

这个工艺非常困难，我们经过十次、百次的试错最终才完成，并填补了此前的空白。利用自己研制的这些设备以及技术，我带领团队建成了我们国家首个极化中子实验装置，目前这个实验装置就安在中国散裂中子源的一个中子终端上。

在这张照片里，中子从最左边出来，经过一系列极化的装置、运输的装置，然后到分析的装置，就可以完成一些复杂的极化中子实验。

▲左：纯铝螺线管样品（长6厘米，直径3厘米）

中：样品前后加装导引磁场环境

右：磁场数值模拟

其中一个实验就是利用极化中子测量封闭螺线管内部的磁场分布。这是用其他任何测量磁场的方法都是不可能做到的，因为用来测量的探针进不去螺线管的内部。但是中子因为不带电，它的穿透性很强，可以穿透到物体内部，它的极化就会被内部的磁场所改变，这样就可以探知到螺线管内部的磁场的分布，以及它的大小、方向和改变。

▲左：YBCO（钇钡铜氧）超导体

右：测得的磁场

另外一项工作是利用极化中子这个技术和平台测量超导体表面的迈斯纳效应。迈斯纳效应是一个学术术语，指的是在超导状态下，外部的磁场是不会穿过去的，碰到了超导体只能拐弯，或者在它的表面上走。

在我们研发出这个技术和平台之前，我们也是没有任何办法测量超导体表面的磁场大小以及分布的，因为所有的测量都会影响它的表面磁场。但是现在，我们利用极化中子这种无损的测量手段，让它穿过超导体，并且跟表面的磁场作用，就可以反推、解析出超导体表面磁场的分布。我们测量的结果跟迈斯纳效应的理论预测非常吻合。

研究储存和超导都离不开极化中子

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这些都是非常基础的研究，大家可能会好奇，这些研究和我们的生活到底有什么相关的地方？我给大家举两个很简单的例子，第一个例子就是研究磁存储材料。

▲ 巨磁阻改变日常生活

我们现在所有电子产品的存储材料都是一个一个很小的磁铁，它就是一个反铁磁的磁铁，每一个磁性的改变，从上往下就是0到1的一个 比特 的改变。

在过去四五十年当中，利用极化中子测量巨磁阻，可以知道不同巨磁阻材料的分布是不是非常好的反铁磁，它是否是一个旋转的磁铁，以及它每一层的厚度和分布。这个厚度非常重要，我们所谓的纳米技术3纳米、5纳米、7纳米，很大程度上指的就是每一个 比特 中间隔的厚度。这是极化中子技术做出来的基础科研。

▲未来新型的磁存储材料

现在的磁存储技术已经向着非常复杂的磁性方向发展了。这个叫磁斯格明子（Skyrmion），利用极化中子也可以研究斯格明子的演变过程、不同材料中斯格明子存在的形态，这些都是极化中子也许能为人类社会做出的一些贡献。

另外一个可能的贡献就是超导。这是电影《阿凡达》的剧照，所有悬浮在天空中的山都是由室温超导体所组成的。室温超导体是所有科学家梦寐以求的材料，我们目前还做不到，但是我们希望能够朝着这个方向走。

一个目前不能超导的材料，我们通过其他材料的调控手段，是不是有办法让它变成超导？这些最基础的科学问题都是需要利用极化中子来研究的。事实上，在过去几十年当中，利用极化中子去做中子散射研究，已经成为研究超导体最重要的手段之一。

我相信，随着极化中子技术的发展，未来它必定会为超导体乃至材料科学的发展和进步贡献更多的力量。

谢谢大家！

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