Neutronenspektroskopie

Neutronenspektroskopie ist ein Sammelbegriff für Messverfahren, bei denen Neutronen als Träger der Wechselwirkung mit Materie genutzt werden, um Informationen zu Struktur und Dynamik auf atomarer Skala zu gewinnen. Durch Streuung untersuchen Forscher die Energie- und Impulsübertragung zwischen Neutronen und Materie, wodurch sich elastische und inelastische Prozesse unterscheiden lassen.

Zu den wichtigsten Techniken gehören die inelastische Neutronenstreuung (INS), die zeitaufgelöste Neutronenspektroskopie mit Time-of-Flight (TOF) sowie die Dreiachsen-Spektroskopie (TAS). Diese Methoden liefern das dynamische Strukturmodell S(Q, ω) und erlauben die Bestimmung von Schwingungs- und magnetischen Excitationen in Materialien. Je nach Instrument können Energieauflösung und der Bereich von Q variiert werden.

Neutronenquellen wie Kernreaktoren und Spallationsquellen erzeugen neutrale Strahlung, die durch Monochromatoren, Analyzer und Detektoren geleitet wird, um Energie- und Impulsinformationen zu gewinnen. Messungen erfolgen oft bei verschiedenen Temperaturen, Drücken und magnetischen Feldern, um Phasenwechsel und dynamische Prozesse zu erfassen.

Anwendungen finden sich in der Festkörperphysik, Materialwissenschaft und Chemie: Bestimmung von Phononendispositionen und Magnondispersionen, Diffusions- und Hydratationsprozessen in Materialien sowie Strukturuntersuchungen von Glas und amorphen Systemen. Die Methode ist besonders sensitiv gegenüber leichten Elementen wie Wasserstoff und ermöglicht tiefe Einblicke in innere Strukturen.

Vorteile der Neutronenspektroskopie liegen in der hohen Empfindlichkeit gegenüber leichten Elementen und in der tiefen Penetration des Materials. Nachteile sind vergleichsweise niedrige Intensitäten, lange Messzeiten, hohe Kosten und aufwändige Sicherheits- sowie Infrastruktur-Anforderungen. Die methodische Entwicklung begann in den 1940er/1950er Jahren und setzt sich heute an Spallations- und Reaktorquellen fort.