[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种基于四阶量子关联与费米子反聚束效应的无透镜傅里叶变换鬼成像技术，利用热中子实现。通过利用中子波的旋量性质，并采用薛定谔方程的完全量子力学分析，该方法在无需相位相干性或光学元件的条件下，实现了对晶体与非晶体样品中原子及磁性结构的波长限制分辨率成像。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于热中子的无透镜、高分辨率成像技术，用于原子与磁性结构的成像。
• 克服传统中子显微术的局限性，后者依赖透镜，受像差和低于德布罗意波长分辨率的限制。
• 为费米子（特别是热中子）的鬼成像建立严格的、基于量子力学的理论框架，考虑自旋与空间关联。
• 实现对非晶体与微磁性结构（包括金属蛋白中的结构）的成像，这些结构在传统X射线或中子技术中难以探测。
• 证明：由泡利不相容原理与反聚束效应主导的非相干热中子场强度关联，可实现样品结构的层析重建。

提出的方法

• 利用基于费米-狄拉克统计与泡利不相容原理推导出的空间非相干热中子场的四阶相关函数。
• 采用双臂干涉仪设置，包含样品臂与参考臂，其中在桶形探测器与高分辨率参考探测器上测量中子强度涨落。
• 采用中子波的旋量表示，并求解薛定谔方程与李普曼-施温格方程，以实现对中子-样品相互作用的量子力学建模。
• 通过参考臂与样品臂之间强度关联的傅里叶变换，重建样品的横向结构。
• 依赖极化热中子以最大化反聚束对比度，确保稳健的量子统计行为。
• 避免使用透镜等光学元件，实现仅受中子波长与相干性限制的德布罗意波长级别分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用热中子场的四阶强度关联，实现对原子与磁性结构的无透镜、高分辨率成像？
• RQ2 根植于泡利不相容原理的费米子反聚束效应，如何实现对大质量费米子的真正量子鬼成像方案？
• RQ3 旋量表示与量子力学处理在准确描述中子鬼成像中起什么作用，特别是在存在磁性散射的情况下？
• RQ4 该方法能否实现对非晶体材料（包括具有复杂微磁畴的材料）的亚波长分辨率成像？
• RQ5 是否可能仅从强度关联数据中，无需相位相干性或周期性，重建样品原子与磁性结构的纵向投影？

主要发现

• 参考臂与样品臂之间的强度关联与样品原子与磁性结构纵向投影的横向傅里叶变换成正比。
• 该方法实现了德布罗意波长级别的分辨率，超越了受透镜像差与放大限制的现有中子成像技术。
• 由于无需周期性要求，该技术适用于晶体与非晶体样品，包括具有复杂磁性结构的样品。
• 使用极化中子可增强反聚束对比度，提高信噪比，从而更清晰地重建磁性特征。
• 理论框架为完全量子力学的，基于薛定谔方程与李普曼-施温格方程，且考虑了费米子场中的自旋-空间纠缠。
• 这是首个严格、真正意义上的费米子鬼成像方案，正确包含了自旋自由度，避免了在两费米子聚束情形下失效的标量近似。