[論文レビュー] Microscopy for Atomic and Magnetic Structures Based on Thermal Neutron Fourier-transform Ghost Imaging

Kun Chen, Shensheng Han|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2018

Nuclear Physics and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、4次相関とフェルミ粒子の反ぶつう性（antibunching）に基づく、熱中性子を用いたレンズレスでフォアーリエ変換型のゴーストイメージング技術を提案する。中性子波のスピンルの性質とシュレーディンガー方程式による完全な量子力学的解析を活用することで、位相のコherently が必要ないか、光学素子を必要としない条件下で、原子的・磁気的構造の波長制限分解能を実現する。

ABSTRACT

We present a lensless, Fourier-transform ghost imaging scheme by exploring the fourth-order correlation function of spatially incoherent thermal neutron waves. This technique is established on the Fermi-Dirac statistics and the anti-bunching effect of fermionic fields, and the analysis must be fully quantum mechanical. The spinor representation of neutron waves and the derivation purely from the Schrodinger equation makes our work the first, rigorous, robust and truly fermionic ghost imaging scheme. The investigation demonstrates that the coincidence of the intensity fluctuations between the reference arm and the sample arm is directly related to the lateral Fourier-transform of the longitudinal projection of the sample's atomic and magnetic spatial distribution. By avoiding lens systems in neutron optics, our method can potentially achieve de Broglie wavelength level resolution, incomparable by current neutron imaging techniques. Its novel capability to image crystallined and noncrystallined samples, especially the micro magnetic structures, will bring important applications to various scientific frontiers.

研究の動機と目的

• 熱中性子を用いたレンズレスで高分解能の原子的・磁気的構造イメージング技術の開発。
• レンズに依存する従来の中性子顕微鏡技術の限界を克服し、収差とド・ブロイ波長未満の分解能制限を回避すること。
• スピンと空間相関を考慮した、フェルミ粒子、特に熱中性子を用いたゴーストイメージングの厳密な量子力学的枠組みの確立。
• 従来のX線または中性子法では到達できない、非周期的で微細磁気的構造（金属酸素タンパク質を含む）のイメージングを可能にすること。
• パウリ排他原理と反ぶつう性に支配される非周期的熱中性子場の強度相関が、試料構造のトモグラフィック再構成を可能にすることの実証。

提案手法

• フェルミ・ディラック統計とパウリ排他原理に基づき、空間的に非周期的な熱中性子場の4次相関関数を用いる。
• 試料路とリファレンス路を持つ2路干渉系を採用し、バケツ検出器と高分解能リファレンス検出器で中性子強度揺らぎを測定する。
• 中性子-試料相互作用を、中性子波のスピンル表現とシュレーディンガー方程式・リッヒャルト＝シュヴァイガー方程式を用いて、完全に量子力学的にモデル化する。
• リファレンス路と試料路間の強度相関のフーリエ変換により、試料の横方向構造を再構成する。
• 反ぶつう性対比を最大化し、量子統計的挙動を安定的に保つために偏光した熱中性子を用いる。
• レンズなどの光学素子を避けることで、中性子波長とコherently 性に制限されたド・ブロイ波長レベルの分解能を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非周期的熱中性子場の4次強度相関を用いて、レンズレスで高分解能の原子的・磁気的構造イメージングが可能か？
• RQ2 パウリ排他原理に根ざしたフェルミ粒子の反ぶつう性効果は、質量を持つフェルミ粒子に対して真に量子力学的ゴーストイメージングを可能にするか？
• RQ3 スピンル表現と量子力学的取り扱いは、磁気散乱が存在する場合に中性子ゴーストイメージングを正確に記述するために果たす役割は何か？
• RQ4 この手法は、非周期的材料、特に複雑な微細磁気ドメインを有する材料に対しても、波長未満の分解能を達成可能か？
• RQ5 位相のコherently または周期性を要せず、強度相関データから試料の縦方向投影の再構成が可能か？

主な発見

• リファレンス路と試料路間の強度相関は、試料の原子的・磁気的構造の縦方向投影の横方向フーリエ変換に直接比例する。
• 本手法はド・ブロイ波長レベルの分解能を達成し、レンズの収差と倍率に起因する制限がある従来の中性子イメージング技術を上回る。
• 周期性の要件がないため、結晶性および非結晶性試料、特に複雑な磁気的構造を有する試料に対しても適用可能である。
• 偏光中性子を用いることで反ぶつう性対比が向上し、信号対雑音比が向上し、磁気的特徴の明瞭な再構成が可能になる。
• 理論的枠組みは完全に量子力学的であり、シュレーディンガー方程式とリッヒャルト＝シュวาイガー方程式に基づき、フェルミ粒子場におけるスピン-空間もつれを考慮している。
• 本稿は、スピンル自由度を正しく組み込み、2フェルミ粒子の束縛状態において失敗するスカラー近似を避ける、真のフェルミ粒子的ゴーストイメージングの初の厳密な枠組みを提供する。