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Diffusion des neutrons Ecole du GDR MICO, Mai 2014 S. Petit (CEA-Saclay)

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Diffusion des neutrons

Ecole du GDR MICO, Mai 2014 S. Petit (CEA-Saclay)

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A quoi servent les neutrons ? Interaction neutron-matière Diffraction Neutrons polarisés Diffusion inélastique

Plan du cours

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A quoi servent les neutrons ?

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o No charge

o Massive particle

o Spin ½

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Do they interact with matter ?

Yes but weakly …

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b= scattering length • positive or negative • depends on the isotope

Scattering strength

Interaction forte : le neutron entre au cœur du noyau (« noyau composé »)

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Interaction magnétique dipolaire entre le spin du neutron et les moments magnétiques au sein de l’échantillon

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Diffraction ?

supposes l ~ a Wavelength of the neutron = a few Å

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q

d

Phase difference Bragg law

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Spectroscopy ?

supposes E ~ energy of elementary excitations in solids

Energy of thermal neutrons

E = a few meV

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a

Detector

Incident neutron flux

Nombre de neutrons dans le détecteur

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Thermal neutrons Allow

Diffraction & Spectroscopy

o Structure cristalline, magnétique o Dynamique : relaxation, excitations

collectives

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In Europe: Reactors ILL-Grenoble (France) LLB-Saclay (France) FRMII-Munich (Germany) HMI-Berlin (Germany) Spallation sources ISIS-Didcot (UK) PSI-Villigen (Switzerland)

But also: Dubna (Russia), JPARC (Japan) SNS, DOE labs (USA), ANSTO (Australia) Canada, India, …

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235U

1n

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The reactor provides a spectrum of neutrons with different Ei We need to select an incident energy

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9 beam tubes

• 4 thermal

• 2 hot

• 3 cold

9 guides for cold neutrons

Hot source

Cold source

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Hot Neutrons Liquid and single crystal structures

Thermal Neutrons Condensed matter

Cold neutrons Condensed matter

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q

d

Incident beam

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Monochromator

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Monochromator

o Should not absorb

o High reflectivity

o d-spacing must be ok

o Large single crystals

o « Cheap » …

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Monochromator

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Monochromator

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Monochromator

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Monochromator

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How to select an incident energy ?

Other possibilities : Velocity selector

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How to select an incident energy ?

Produced a bunch of neutrons with a given incident energy

a = W t = W d/v

v

d

Other possibilities : Disk Chopper

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Basic neutron spectrometer

If this is giving you a really hard time, give it a good kick (and you will feel better)

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Basic neutron spectrometer

wavevector spin energy Neutrons are plane waves

Incident neutrons

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Basic neutron spectrometer

Scattered neutrons

Incident neutrons

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Basic neutron spectrometer

Scattering wavevector

Energy conservation

Energy transfer

Scattered neutrons

Incident neutrons

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Diffractometer

Incident neutron flux

Scattering angle

1. gain energy (up to infinity) 1. loose energy (up to )

Scattered neutrons in a given solid angle can :

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Diffractometer

Most of the neutrons keep their energy : « elastic scattering »

This is the Bragg law !!

Detector

Scattering angle = 2q

Incident neutron flux

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Diffractometer

2q

Detector bank

Incident neutron flux

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Diffractometer

Unit cell and space group

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Inelastic scattering

The neutrons gain or loose energy : « inelastic scattering »

To select a single , one has to « analyze » the scattered beam with an appropiate energy filter Once and are chosen, select by varying a

a

Detector

Incident neutron flux

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Inelastic scattering

detector

Incident neutrons

Case 1 : single crystal analyzer

a

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Case 1 : single crystal analyzer (Bragg law)

Inelastic scattering

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Inelastic scattering

Detector bank

Fast neutrons

Slow Neutrons Elastic response

Incident neutron pulse

Case 2 : « time of flight » analyzer

a

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Inelastic scattering

Case 2 : « time of flight » analyzer

a

Incident neutron pulse

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Choose Q

Once and are chosen, select by varying a

a

Detector

Incident neutron flux

a

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There is just one known wavevector in the lab geometry :

Inelastic scattering

How to select the wavevector for a given energy transfer ?

a

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Inelastic scattering

a

Q

Rotate the sample to let coincide Q with Q Useless if the sample is a powder, mandatory if the sample is a single crystal

How to select the wavevector for a given energy transfer ?

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Detailed balance

At T=0 K: the system is in its ground state

Ground state

excited state

Absence of symmetry between creation and annihilation processes

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Triple axis

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Time of flight

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Electronics

Control Software

Detector

Positionning

Data storage

Data treatment

An instrument consists in …

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Et c’est sans danger …. ou presque

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Cross section

Interaction neutron-matière

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Cross section

Probability for the incident neutron to be in the si spin state

Probability for the target to be in the initial state l

Density of accessible states kf

Incident flux

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Cross section, nuclear interaction

Nuclear interaction with nuclei

b= scattering length • positive or negative • depends on the isotope

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Cross section, nuclear interaction

Frozen lattice

Unit cell Atom in the cell

Nothing moves

« simple » definition of the structure factor

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Cross section, nuclear interaction

Vibrating lattice

Harmonic approximation

Debye-Waller factor

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Cross section, nuclear interaction

Elastic term

Series expansion

Inelastic term : phonons

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Cross section, nuclear interaction

Intensity ≠ 0 (Bkg) if ki-kf = Q Ei-Ef = w(Q)

Phonons in PbTe

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Cross section, magnetic interaction

Dipolar field created by the spin (and orbital motion) of unpaired electrons

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Cross section, magnetic interaction

Unit cell position Form factor of unpaired electrons in a given orbital (tabulated)

Atomic positions within the unit cell

Debye-waller factor (thermal motion of the ions)

o Spin-spin correlation function o spin components perp to Q (dipolar interaction) o w(k) for spin waves in close analogy with the case of phonons

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Diffusion inélastique des neutrons Et excitations collectives

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Phonons

Harmonic forces : Sum the forces Dynamics

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Phonons

Monoatomic chain Fourier Transfrom Dispersion relation

Brillouin zone centers

Brillouin zone boundary

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Phonons

Di-atomic chain Fourier transform: for each k, eigenvalue problem:

Acoustic mode In phase Vibrations

Optical mode Out of phase Vibrations

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Phonons

General case Normal coordinates: Fourier transform: for each k, eigenvalue problem:

Dynamical matrix dimension

Longitudinal transverse

o Square of a frequency o associated « direction » (polarisation)

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Phonons

o Phonons are bosons

o « detailed balance »

o Dynamical structure factor

o Selection rule

Bose-Einstein

Cross section

Creation Annihilation

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CaF2

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CaF2

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CaF2

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CaF2

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CaF2

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CaF2

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Remember

is periodic. It suffices to study it in a single Brillouin zone

! These points are equivalent regarding the dispersion relation But have different neutron cross sections

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Remember

Longitudinal phonon s :

t k

Q

Brillouin zone centers t = Brillouin zone node = Bragg peak position k = wavevector within the Brillouin zone

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Remember

t

k

Q

Brillouin zone centers

Transverse phonon s :

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Summary

The dispersion of phonons can be measured in (Q,w) space by means of inelastic neutron scattering With the help of a model, it becomes possible to measure physical parameteres as force constants

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Spin excitation

Exchange : Heisenberg Hamiltonian

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Spin excitation

Exchange : Heisenberg Hamiltonian Spins ordering below Néel temperature

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Spin excitation

Exchange : Heisenberg Hamiltonian Spins ordering below Néel temperature Equation of motion

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Cross section

Cross section

Creation Annihilation

o Spin waves are almost bosons

o « Detailed balance »

o Dynamical structure factor

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Ferromagnet

Neutron cross section From quantization of the equation of motion

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Ferromagnet

Static response (Bragg peak) With a different geometrical factor (best seen if Qz = 0, in contrats with the inelastic response)

Detailed balance

Dirac functions along the dispersion

Dynamical structure factor (Form factor, Debye, geometry)

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Ferromagnet

Detailed balance

Dirac functions along the dispersion

Dynamical structure factor (Form factor, Debye, geometry)

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Ferromagnet

Real space

Reciprocal space

t = Bragg peak position k = wavevector in the first Brillouin zone

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Ferromagnet

!

Real space

Reciprocal space

These points are equivalent regarding the dispersion relation But have different neutron cross sections

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Ferromagnet

Dispersion relation

Intensity superimposed on the dispersion relation, depends on the neutron cross section

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Antiferromagnet

Dispersion relation

Intensity superimposed on the dispersion relation, depends on the neutron cross section

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Summary

The dispersion of spin waves can be measured in (Q,w) space by means of inelastic neutron scattering With the help of a model, it becomes possible to measure physical parameteres as exchange constants

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Example 1

Spin dynamics in LaSrMnO3

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Example : manganites

Jc

Jab

Jc ~ 0.5 meV

Jab ~ -0.8 meV

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Example : manganites

In the metallic state : spin wave in a metal ?

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Example 2

Spin dynamics in triangular lattice

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Example : triangular lattice

J

2

3

1

120° Néel order 3 spins per unit cell : 3 branches

1, 2 : correlations between in plane spin components 3 : correlations between out of plane spin components

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Example : triangular lattice

2

3

1

Gap J

3 spins per unit cell : 3 branches

1, 2 : correlations between in plane spin components 3 : correlations between out of plane spin components

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Example : triangular lattice

J

y

z

Q perpendicular to the hexagonal (yz) plane allows observing the branches corresponding to correlations between in plane spin components

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Example : triangular lattice

J

z

y Q in the (yz) hexagonal case, restores intensity on the branch corresponding to correlations between in plane spin components

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Example : triangular lattice

0

5

10

15

20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

(q,0,0)

Deduce microscopic parameters from experiments J = 2.5 meV D = 0.5 meV

YMnO3

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Example : triangular lattice

YMnO3 YbMnO3

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Example : 1D magnets

Example 4

Spin dynamics in 1D systems

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Example : 1D magnets

Dans certains systèmes, les fluctuations empêchent l’ordre magnétique de s’installer. Les excitations ne sont plus du tout des ondes de spin … Frustration, basse dimension, spin quantique =1/2, 1

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Example 5

Crystal field

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Anisotropy of magnetic moments

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Example 6

Ondes de spin dans Un système géométriquement frustré Er2Ti2O7

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Er2Ti2O7

XY spins & AF interactions (J > 0)

Extensive degeneracy

Archetype of magnetic « geometric » frustration :

the pyrochlore lattice (Re2Ti2O7)

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« y3 »

Palmer Chalker

states

Er2Ti2O7

« y2 »

« y1 »

y2 is selected among degenerate XY states.

Why ? Is it « Order by disorder » ?

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IN5 Xcrystal mode Full S(Q,w) in 2

days

« However »

One l One T One H

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H= 2.5T (b) H=0 (a)

S(Q,w) calculated in RPA

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References

[1] P.W. Anderson, Phys. Rev. 83, 1260 (1951)

[2] R. Kubo, Phys. Rev. 87, 568 (1952)

[3] T. Oguchi, Phys. Rev 117, 117 (1960)

[4] D.C. Mattis, Theory of Magnetism I, Springer Verlag, 1988

[5] R.M. White, Quantum Theory of Magnetism, Springer Verlag, 1987

[6] A. Auerbach, Interacting electrons and Quantum Magnetism, Springer

Verlag, 1994.