eco de espín de neutrones

La espectroscopia de eco de espín de neutrones es una técnica de dispersión inelástica de neutrones inventada por Ferenc Mezei en la década de 1970 y desarrollada en colaboración con John Hayter. ^{[ 1 ]} En reconocimiento a su trabajo y en otras áreas, Mezei recibió el primer Premio Walter Haelg en 1999.

En resonancia magnética , un eco de espín es el reenfoque de la magnetización de espín mediante un pulso de radiación electromagnética resonante . El espectrómetro de eco de espín posee una resolución energética extremadamente alta (aproximadamente una parte en100 000 ). Además, mide la correlación densidad-densidad (o función de dispersión intermedia ) F ( Q , t ) como una función de la transferencia de momento Q y el tiempo. Otras técnicas de dispersión de neutrones miden el factor de estructura dinámica S ( Q , ω ), que puede convertirse en F ( Q , t ) mediante una transformada de Fourier , lo que puede ser difícil en la práctica. Para características inelásticas débiles, S(Q, ω ) es más adecuado; sin embargo, para relajaciones (lentas), la representación natural viene dada por F ( Q , t ). Debido a su extraordinaria alta resolución de energía efectiva en comparación con otras técnicas de dispersión de neutrones, NSE es un método ideal para observar ^{[ 2 ]} modos dinámicos internos sobreamortiguados (relajaciones) y otros procesos difusivos en materiales como mezclas de polímeros , cadenas de alcanos o microemulsiones .

El extraordinario poder de la espectrometría NSE ^{[ 3 ]} se demostró recientemente ^{[ 4 ] [ 5 ]} mediante la observación directa de la dinámica interna acoplada de proteínas en las proteínas NHERF1 y la polimerasa Taq y la unión adherente ^{[ 6 ]} , lo que permite la visualización directa de la nanomaquinaria proteica en movimiento ^{[ 7 ]} . Existen varias revisiones elementales de la técnica ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ].}

El eco de espín de neutrones es una técnica de tiempo de vuelo . En lo que respecta a los espines de neutrones, tiene una fuerte analogía con el llamado eco de Hahn , ^{[ 13 ]} bien conocido en el campo de la RMN . En ambos casos, la pérdida de polarización (magnetización) debida a la desfasación de los espines en el tiempo se restaura mediante una operación efectiva de inversión temporal, que conduce a una restitución de la polarización (refase). En la RMN, la desfasación se produce debido a la variación en los campos locales en las posiciones de los núcleos; en el NSE, la desfasación se debe a las diferentes velocidades de los neutrones en el haz de neutrones incidente. La precesión de Larmor del espín del neutrón en una zona de preparación con un campo magnético antes de la muestra codifica las velocidades individuales de los neutrones en el haz en ángulos de precesión. Cerca de la muestra, la inversión temporal se efectúa mediante un llamado flipper. A continuación, se desarrolla una zona de decodificación simétrica tal que, al final de la misma, el ángulo de precesión acumulado en la zona de preparación se compensa exactamente (siempre que la muestra no haya modificado la velocidad del neutrón, es decir, la dispersión elástica), y todos los espines se refasean para formar el "eco de espín". Idealmente, se restaura la polarización completa. Este efecto no depende de la velocidad, la energía ni la longitud de onda del neutrón incidente. Si la dispersión en la muestra no es elástica, sino que modifica la velocidad del neutrón, el refase será incompleto y se producirá una pérdida de la polarización final, que depende de la distribución de las diferencias de tiempo que los neutrones necesitan para atravesar las zonas de precesión simétricas primera (codificación) y segunda (decodificación). Las diferencias de tiempo se producen debido a un cambio de velocidad adquirido por la dispersión no elástica en la muestra. La distribución de estas diferencias de tiempo es proporcional (en la aproximación de linealización apropiada para la espectroscopia cuasielástica de alta resolución) a la parte espectral de la función de dispersión S ( Q , ω ). El efecto sobre la polarización del haz medido es proporcional a la transformada coseno de Fourier de la función espectral, la función de dispersión intermedia F ( Q , t ). El parámetro de tiempo depende de la longitud de onda del neutrón y del factor que relaciona el ángulo de precesión con la velocidad (recíproca), que puede controlarse, por ejemplo, estableciendo un campo magnético determinado en las zonas de preparación y decodificación. A continuación, se pueden realizar barridos de t variando el campo magnético.

Todas las manipulaciones de espín son solo un medio para detectar cambios de velocidad del neutrón, que influyen —por razones técnicas— en términos de una transformada de Fourier de la función espectral en la intensidad medida. Los cambios de velocidad de los neutrones transmiten la información física que está disponible mediante el uso de NSE, es decir

${\displaystyle I(Q,t)\propto S(Q)+\int \cos(\omega t)\,S(Q,\omega )\,dt}$dónde${\displaystyle \omega \propto \Delta v}$y${\displaystyle t\propto B\times \lambda ^{3}}$.

B denota la intensidad del campo de precesión, λ la longitud de onda (promedio) del neutrón y Δv el cambio de velocidad del neutrón al dispersarse en la muestra.

La principal razón para usar NSE es que, por los medios mencionados, puede alcanzar tiempos de Fourier de hasta varios cientos de  ns, lo que corresponde a resoluciones energéticas en el rango de neV. La aproximación más cercana a esta resolución por parte de un instrumento de neutrones espectroscópico, concretamente el espectrómetro de retrodispersión (BSS), se encuentra en el rango de 0,5 a 1  μeV. El truco del eco de espín permite utilizar un haz intenso de neutrones con una distribución de longitud de onda del 10 % o más y, al mismo tiempo, ser sensible a cambios de velocidad en el rango de menos de ^10⁻⁴ .

Las explicaciones anteriores presuponen la configuración genérica de NSE, utilizada inicialmente por el instrumento IN11 del Instituto Laue-Langevin (ILL). Existen otros enfoques posibles, como el eco de espín resonante ( NRSE), que concentra un campo de CC y un campo de RF en los flippers al final de las zonas de preparación y decodificación, las cuales quedan sin campo magnético (campo cero). En principio, estos enfoques son equivalentes en lo que respecta a la conexión de la señal de intensidad final con la función de dispersión intermedia. Sin embargo, debido a dificultades técnicas, hasta el momento no han alcanzado el mismo nivel de rendimiento que los tipos genéricos de NSE (IN11).

En la investigación de la materia blanda , la estructura de los objetos macromoleculares se estudia frecuentemente mediante dispersión de neutrones a bajo ángulo (SANS). El intercambio de hidrógeno por deuterio en algunas moléculas crea un contraste de dispersión incluso entre especies químicas idénticas. El patrón de difracción SANS, interpretado en el espacio real, corresponde a una instantánea de la disposición molecular. Los instrumentos de eco de espín de neutrones pueden analizar el ensanchamiento inelástico de la intensidad SANS y, por lo tanto, analizar el movimiento de los objetos macromoleculares. ^{[ 14 ]} Una analogía burda sería una fotografía con un cierto tiempo de apertura en lugar de una instantánea tipo SANS. Así, podemos analizar el cambio en la disposición de las moléculas en función del tiempo. El tiempo de apertura corresponde al tiempo de Fourier , que depende de la configuración del espectrómetro NSE, es proporcional al campo magnético (integral) y a la tercera potencia de la longitud de onda del neutrón. Se dispone de valores de hasta varios cientos de nanosegundos. Cabe destacar que la resolución espacial del experimento de dispersión se encuentra en el rango de los nanómetros, lo que significa que un intervalo de tiempo de, por ejemplo, 100  ns, corresponde a velocidades de movimiento molecular efectivas de 1  nm / 100  ns = 1  cm/s. Esto puede compararse con la velocidad típica de los neutrones de 200 a 1000  m/s que se utiliza en este tipo de experimentos.

Muchos estudios inelásticos que utilizan espectrómetros de tiempo de vuelo (TOF) o de retrodispersión convencionales se basan en la enorme sección transversal de dispersión incoherente de neutrones de los protones. La señal de dispersión está dominada por la contribución correspondiente, que representa la función de autocorrelación (promedio) (en el tiempo) de los protones.

La dispersión incoherente de espín NSE tiene la desventaja de que invierte los espines de los neutrones durante la dispersión con una probabilidad de 2/3. Esto convierte 2/3 de la intensidad de dispersión en un fondo "no polarizado" y añade un factor de −1/3 a la contribución integral cos-Fourier correspondiente a la intensidad incoherente. Esta señal se resta de la señal de eco coherente. El resultado puede ser una combinación compleja que no se puede descomponer si solo se emplea NSE. Sin embargo, en casos puros, es decir, cuando existe una contribución de intensidad abrumadora debido a los protones, NSE puede utilizarse para medir su espectro incoherente.

La situación de intensidad de NSE (por ejemplo, muestras de materia blanda) es la misma que en la dispersión de neutrones de ángulo pequeño ( SANS ). Los objetos moleculares con contraste de dispersión coherente a baja transferencia de momento ( Q ) muestran una dispersión coherente con una intensidad considerablemente mayor que la dispersión de fondo incoherente. Este efecto se debilita a medida que Q aumenta. Para sistemas que contienen hidrógeno, el contraste requiere la presencia de algunos protones, lo que necesariamente añade cierta contribución incoherente a la intensidad de dispersión. Además, incluso los deuterones añaden una débil intensidad de dispersión incoherente de espín. En SANS, estas intensidades independientes de Q se consideran típicamente como fondo y se restan. En los experimentos de NSE están presentes y pueden convertirse en una mezcla más significativa a medida que Q aumenta.

Las muestras totalmente protonadas permiten mediciones incoherentes exitosas, pero con intensidades del orden del nivel de fondo de SANS. ^{[ 15 ]} Nota: Esta interferencia con la manipulación de espín de la técnica NSE ocurre solo con la dispersión incoherente de espín . La dispersión incoherente isotópica produce una señal NSE "normal".

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