Les neutrons polaris´es sur un spectrom`etre trois axes

On a d´ecrit le principe de fonctionnement d’un spectrom`etre trois axes dans la section pr´ec´edente. Nous pr´esentons maintenant les ´el´ements n´ecessaires au contrˆole de la polarisation des neutrons sur un spectrom`etre trois axes. Cette innovation a ´et´e r´ealis´ee par R.M.Moon et al. [146]. Exp´erimentalement, l’analyse de la polarisation consiste `a r´epondre aux deux questions suivantes :

Comment polariser en spin un faisceau de neutrons ?

Comment contrˆoler la direction de polarisation des neutrons ? Polarisation d’un faisceau de neutrons

Il existe trois fa¸cons de polariser en spin un faisceau de neutrons : utiliser un alliage d’Heusler, un bender ou un filtre `a He3 <sub>polaris´e. Nous pr´esenterons uniquement les deux premi`eres techniques (c’est-`a-dire celles</sub>

utilis´ees lors de nos exp´eriences). Le principe de base de ces deux montages est le mˆeme (repr´esent´e sur la Fig.2.3.a)) et consiste `a faire interagir le neutron avec une structure ferromagn´etique satur´ee par un champ magn´etique Bext et de moment M (orthogonal au vecteur de diffusion Q). Ce champ magn´etique impose

la polarisation des neutrons incidents. Les neutrons incidents sont polaris´es |+i ou polaris´es |−i. Comme Bext est parall`ele `a P et `a M, on en d´eduit que M⊥,z=M et M⊥,x=M⊥,y=0. Les neutrons interagissent

alors avec la structure ferromagn´etique. D’apr`es l’Eq.2.16, les neutrons de spin |+i sont diffus´es par un potentiel : h+|bN + γr0fd(Q)σ.M⊥|+i et les neutrons polaris´es |−i sont diffus´es par un potentiel : h−|bN−

γr0fd(Q)σ.M⊥|−i . Tout l’art de la polarisation en spin d’un faisceau consiste `a choisir un mat´eriau pour

lequel : bN=γr0fd(Q)σ.M⊥ (ou bN=−γr0fd(Q)σ.M⊥ ) ainsi seuls les neutrons polaris´es |+i (ou |−i) sont

diffus´es.

L’alliage de Heusler est un alliage ferromagn´etique de formule Cu2MnAl. Il est possible de l’utiliser pour

s´electionner `a la fois la direction de spin du neutron et son vecteur d’onde (ki). On repr´esente sur la Fig.2.3.b)

2.3 R´ealisation pratique d’un exp´erience de diffusion de neutrons

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Fig.<sub>2.2: Sch´ema du spectrom`etre trois axes TASP en configuration neutrons polaris´es. La</sub> longueur d’onde du faisceau incident (ki) est selection´ee par un monochromateur `a

partir d’un faisceau ”blanc” d´elivr´e par la source `a spalliation. L’analyseur s´electionne l’´energie des neutrons diffus´es (kf) par l’´echantillon.

2 Aspects exp´erimentaux

(111). Les cristaux d’Heusler peuvent ˆetre utilis´es comme monochromateurs et comme analyseurs. Le couple Heusler/Heusler est actuellement celui le plus utilis´e sur les spectrom`etres trois axes thermiques (c’est effec- tivement le cas sur IN20, IN22 et 2T), en particulier lorsque l’on r´ealise une ´etude de diffusion in´elastique de neutrons polaris´es . En effet, la qualit´e de la polarisation est en principe ind´ependante de la longueur d’onde.

Une autre fa¸con de polariser le faisceau est d’utiliser un bender. Contrairement au cas du Heusler o`u la s´election en vecteur d’onde et en spin se fait au mˆeme moment, la s´election en vecteur d’onde et en spin est r´ealis´ee en deux ´etapes. On s´electionne tout d’abord le vecteur d’onde grˆace `a un monochromateur non polaris´e (par exemple un monochromateur graphite pyrolytique ) puis on place un bender apr`es le monochromateur. Un bender est constitu´e de plusieurs dizaines de lames de TiGd sur lesquelles est ´evapor´e un alliage de FeCo satur´e par un aimant permanent. Dans le cas d’un bender, la transmission d´epend de la longueur d’onde. Au-dessus de ki=2.662˚A−1, la transmission devient mauvaise. Ce type de montage est

donc plutˆot utilis´e sur des sources froides.

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Fig._{2.3: Polarisation d’un faisceau de neutrons : a) Principe de la polarisation en spin d’un} faisceau de neutron : un faisceau de neutrons non polaris´es (c’est-`a-dire o`u la moiti´e des neutrons sont dans l’´etat de spin |+i et l’autre moiti´e dans l’´etat |−i) interagit avec une structure ferromagn´etique pour laquelle bN=γr0fd(Q)M (o`u bN=−γr0fd(Q)M). Seuls les

neutrons polaris´es |+i (ou |−i) sont diffus´es b) Monochromateur double focalisant de Heusler constitu´e de 65 monocristaux de Heusler produits par l’ILL. c) Vue d’un bender form´e de plusieurs dizaines de supermiroirs de CoFe/TiGd

2.3 R´ealisation pratique d’un exp´erience de diffusion de neutrons

Champ de guidage et flipper

On vient de d´ecrire deux fa¸cons de polariser un faisceau de neutrons. Aussi, il est important que le neutron conserve sa polarisation entre les diff´erents ´el´ements polarisants. Pour cela, il faut introduire sur l’int´egralit´e du chemin parcouru par les neutrons des champs de guidage de quelques dizaines de Gauss. En effet, en pr´esence d’un champ magn´etique (not´e H), la polarisation du neutron va pr´ecesser de mani`ere `a ce que H.P=constante `a la fr´equence de Larmor ωL. Ainsi, si P//H, la polarisation du neutron restera la mˆeme.

La pr´esence de champ magn´etique parasite fera pr´ecesser le spin du neutron dans d’autres directions que celle souhait´ee et le faisceau se d´epolarisera. Exp´erimentalement, la pr´esence d’endroits o`u le champ de guidage est h´et´erog`ene peut entraˆıner une forte variation de la polarisation. En fait, il est possible de faire tourner la polarisation du neutron en appliquant un champ magn´etique variant dans l’espace. Il faut pour cela que la rotation spatiale du champ de guidage (not´ee ωH) soit tr`es petite devant la fr´equence de Larmor. Ainsi, la

polarisation du neutron tourne de fa¸con adiabatique avec le champ H, le faisceau n’est alors pas d´epolaris´e. Lors d’une exp´erience, on s’int´eresse en g´en´eral `a la fois aux processus NSF et SF, il faut pour cela avoir la possibilit´e de r´ealiser facilement un renversement de la polarisation. Dans la mesure o`u, pour le cristal de Heusler et pour le bender, la polarisation du neutron est impos´ee par un champ permanent (qu’il est impossible de changer lors de l’exp´erience), il faut disposer d’un moyen de changer le sens de la polarisation sur le parcours du neutron afin de pouvoir mesurer facilement les processus NSF et SF.

Deux syst`emes sont utilis´es pour r´ealiser une inversion de la polarisation : le flipper de Mezei et le Cryo- Flipper.

Le flipper le plus simple `a mettre en oeuvre est le flipper de Mezei. Il est constitu´e de deux bobines cr´eant deux champs magn´etiques B1 et B2 repr´esent´es sur la Fig.2.4. Dans cet ´el´ement, les neutrons polaris´es

|+i (par exemple) et guid´es dans un champ vertical rencontrent soudainement un champ horizontal B2. La

transition n’est pas adiabatique et le spin des neutrons se met `a tourner autour du champ horizontal avec une p´eriode de larmor T (´egale `a 2π

ωL ). Si, `a la sortie de l’´el´ement, le spin des neutrons a pr´ecess´e d’un

demi-tour, ils continuent leur chemin polaris´e en bas. Le renversement est exactement r´ealis´e si la vitesse des neutrons est telle que ceux-ci restent dans le champ horizontal pendant un temps T/2. Le champ magn´etique B2d´epend fortement de la longueur d’onde du neutron (plus le neutron va vite moins il passe de temps dans

le flipper de Mezei et donc plus le champ magn´etique doit ˆetre fort). Le champ B1quant `a lui d´epend peu

de la longueur d’onde. Il assure simplement la continuit´e du champ de guidage.

Le cryoflipper est le second type de flipper. Il est constitu´e d’un ´ecran de Niobium supraconducteur (de largeur quelques mm) s´eparant deux zones de champs magn´etiques oppos´es. En amont de la plaque, le champ de guidage, not´e B, est parall`ele `a la polarisation du neutron P. Le neutron traverse alors la zone de champ nul cr´e´ee par l’´ecran de Nb. En aval de la plaque, le champ magn´etique est dirig´e le long de -B, le neutron quant `a lui n’a pas chang´e de polarisation (en effet on se trouve dans la limite o`u les variations spatiales du champ sont bien plus grandes que la fr´equence de Larmor spatiale, c’est-`a-dire dans la limite de non adiabaticit´e). La polarisation P se trouve ainsi anti parall`ele au champ de guidage. Contrairement au cas du flipper de Mezei o`u la polarisation du neutron tourne, la polarisation ne tourne pas ici mais le champ de guidage est invers´e. L’avantage du Cryoflipper est qu’il est ind´ependant de la longueur d’onde.

Analyse de polarisation

Nous avons pr´esent´e les ´el´ement n´ecessaires `a la mesure des processus NSF et SF pour une polarisation donn´ee. Il est en fait tr`es int´eressant de connaˆıtre ces mˆeme processus pour diff´erentes polarisations du neutron au niveau de l’´echantillon.

Le syst`eme que nous avons le plus utilis´e est celui des bobines de Helmotz. Grˆace `a un syst`eme de trois bobines horizontales et d’une bobine verticale dans lesquelles les courants peuvent ˆetre ajust´es (courants de

2 Aspects exp´erimentaux

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Fig._{2.4: a) Sch´ema de principe d’un flipper de Mezei : un neutron incident polaris´e vers le haut} par un champ de guide ext´erieur traverse les deux bobines du flipper de Mezei. Le courant dans la bobine qui pointe perpendiculairement `a l’axe du faisceau et perpen- diculairement `a la polarisation du neutron bobine est adapt´e de mani`ere `a ce que la polarisation du neutron tourne de π entre l’entr´ee du flipper et la sortie du flipper. En haut `a gauche, une photo d’un flipper de Mezei (d’apr`es C.Boulier [147] est pr´esent´ee b) Sch´ema de principe d’un cryoflipper : un neutron polaris´e parall`element au champ de guide traverse un feuille de Nb supraconductrice de champ nul. En aval de l’´ecran de Nb, le champ de guide est invers´e sans que le polarisation du neutron ne change (la variation du champ de guide est trop rapide pour que la polarisation du neutron ne change). La polarisation du neutron se trouve anti parall`ele au champ de guide.

2.3 R´ealisation pratique d’un exp´erience de diffusion de neutrons

l’ordre de l’amp`ere), il est possible de cr´eer un champ magn´etique dans n’importe quelle direction. Ainsi, grˆace `a ce syst`eme, il est possible d’amener de fa¸con adiabatique la polarisation du faisceau incident parall`ele `

a n’importe qu’elle direction voulue. L’´echantillon est plac´e au centre des bobines. Avec ce type de syst`eme, les polarisations des neutrons incident et r´efl´echi sont les mˆemes.

Le deuxi`eme syst`eme utilis´e lors de cette th`ese est le montage CRYOPAD[148, 147]. La principale diff´erence entre les montages bobine de Helmoltz et CRYOPAD r´eside dans la polarisation des neutrons au niveau de l’´echantillon. A la diff´erence des bobines de Helmoltz, l’´echantillon se trouve dans une zone de champ quasiment nul (de l’ordre de 2mG) isol´ee magn´etiquement par des ´ecrans Meissner. De cette mani`ere, il est possible de d´ecoupler la polarisation du neutron incident et celle du neutron diffus´e. L’int´erˆet de ce type de montage est double : tout d’abord il permet de remonter aux termes crois´es de la polarisation pr´esents dans certaines structures complexes de spin [149] (on peut ainsi r´esoudre des structures magn´etiques non-triviales pr´esentant par exemple de la chiralit´e). Ensuite, il permet de r´ealiser des mesures de neutrons polaris´es sans champ. Ceci est particuli`erement int´eressant lorsque l’on s’int´eresse `a l’´etude des supraconducteurs pour T<Tc.

Pr´esentation du spectrom`etre 4F1 en configuration neutrons polaris´es

A titre de conclusion et pour r´esumer cette partie sur les neutron polaris´es, nous pr´esentons le montage complet du spectrom`etre 4F1 du r´eacteur Orph´ee en configuration neutrons polaris´es utilis´e lors de nos exp´eriences. On reporte sur la Fig.2.5 une photo ainsi qu’un sch´ema de principe du spectrom`etre 4F1.

Le spectrom`etre 4F1 (Orph´ee) est ´equip´e d’un double monochromateur pyloritique graphite. La polarisa- tion en spin du faisceau de neutrons incidents est obtenue par un bender. Apr`es le bender, les neutrons sont dans l’´etat de spin |− > (la polarisation est verticale). Ceci impose la polarisation des neutrons incidents. La polarisation des neutrons diffus´es est analys´ee par un cristal de Heusler constitu´e de 8 lames qui ne diffuse que les neutrons dans l’´etat de spin |+ >. Tout au long du chemin entre le bender et le Heusler, un champ de guide d’environ 1mT est pr´esent pour maintenir la polarisation verticale des neutrons. Entre le bender et l’´echantillon, un flipper permet de faire flipper le spin du neutron. Ainsi, en fonction du courant dans le flipper de Mezei, on peut choisir les deux ´etats de spins pour le neutron incident |− > ou |+ >. Avec un tel montage, on peut donc mesurer deux types de sections efficaces : l’une avec une transition de spin |+ > vers |− > (SF) quand le flipper est ”off” et l’autre avec une transition de spin |− > vers |− > (NSF) quand le flipper est ”on”. Ainsi, l’un des int´erˆets de ce montage est que l’on mesure le canal SF lorsque le flipper de Mezei est inactif, on est donc insensible `a des parasites ´electroniques qui pourraient perturber le flipper lors de comptages longs (ce qui est plus souvent le cas pour le canal SF que pour le canal NSF). Au niveau de l’´echantillon, le champ de guide peut ˆetre tourn´e dans n’importe quelle direction grˆace aux bobines de Helmotz. Le spectrom`etre 4F1 est situ´e sur une source froide, on travaille donc en g´en´eral avec un faisceau incident d’´energie inf´erieure ou ´egale Ei=14.7mev (c’est-`a-dire un ki=2.662˚A−1). Les ´echantillons

sont attach´es `a une tˆete froide d’un displex qui permet d’aller de 15K `a 300K.

En principe, la s´eparation entre les canaux SF et NSF devrait ˆetre parfaite. Cependant, en raison des imperfections des ´el´ements polarisants, il existe toujours une fuite de polarisation du canal SF (respectivement NSF) dans le canal NSF (respectivement SF). Cette fuite de polarisation est caract´eris´ee par la valeur du rapport de flipping, not´e R. Le rapport de flipping est ´egal `a R= IN SF/ ISF. Sur un pic de Bragg nucl´eaire

avec une polarisation des neutrons P//Q, si l’on avait une polarisation parfaite alors ISF=0, le rapport de

flipping devrait alors ˆetre infini. La qualit´e de la polarisation du montage exp´erimental est donc caract´eris´ee par la valeur de R. Plus R est grand, plus la qualit´e de polarisation est grande. Dans le cas du montage 4F1, on travaille typiquement avec un rapport de flipping de 40. Ce rapport peut mˆeme monter `a 60 ou 80 lorsque l’on ne conserve que la lame centrale du Heusler sur des ´echantillons de tr`es bonnes mosa¨ıcit´es.

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Fig._{2.5: Montage de neutrons polaris´es sur 4F1 : a) la polarisation sur ki est r´ealis´ee par un} bender (en bleu) suivi d’un flipper de Mezei. La polarisation au niveau de l’´echantillon est contrˆol´ee par des bobines de Helmotz. L’analyse de polarisation est r´ealis´ee par un cristal de Heusler. b) Mˆeme chose que sur a), on reporte en plus l’´etat de polarisation du neutron (|+ > et |− >) par rapport `a la polarisation P des neutrons

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