Only Perception: 3D 影像 -- 首度洞悉磁場

2008-04-07

3D 影像 -- 首度洞悉磁場

3-D Imaging -- First Insights Into Magnetic Fields
http://www.physorg.com/news126112074.html

March 30, 2008

3D 影像不只在醫學上有用；能觀察內部結構對於其他科學研究領域亦十分具有價值。最近，來自於柏林 Hahn-Meitner-Institute (HMI) 的研究者與 Applied Sciences 大學的合作下，首次成功地以一種直接的、三維的方式將固體的、非透明物質內側的磁場視覺化。由 Nikolay Kardjilov 等人所作的這項宣佈發表在當前的 Nature Physics 期刊上。

影像小組中的研究者使用淨電荷為零，但具有磁力矩的中子、次原子粒子，讓它們非常適合用於研究磁性物質的磁性現象。當位於一個外部磁場中，中子的行為猶如一根指南針，都沿著指出這個場的方向排列。

中子亦有內部的角動量，經常被物理學家指涉為自旋，這一種特性導致針繞著磁場旋轉，類似於地球繞著自己的軸轉動的方式。當所有的磁力矩指向同一方向後，中子接著被稱為自旋偏極化（spin-polarised）。若某種磁性樣本以這種中子幅照，中子的磁力矩將繞著它們在樣本內遇到的磁場旋轉，而它們自旋的方向也會發生改變。

Kardjilov 的小組把這種現象當成一種測量參數使用。他們在斷層掃描（tomography）試驗中，利用二套自旋偏極器（spin polarisers，那只讓自旋指向某特定方向的中子通過）產生偏極化，接著分析中子。藉由偵測自旋的改變，就有可能『看見』樣本當中的磁場。

Kardjilov 將之與一般 CT 掃描（電腦斷層掃描）相比較來解釋這件事：當樣本以 X 光幅照後，以光線強度的改變來代表物質的密度。"這與我們的磁性樣本一樣，那改變中子的自旋旋轉，而這根據磁性特性如何在樣本內分佈而產生反差。藉由轉動樣本，我們可以重構出一幅三維的影像。"

自 2005 年起， Nikolay Kardjilov 就在 HMI 設立中子斷層掃描部門，而現在，他的小組首度將自旋旋轉當成一種測量訊號使用，以進行 3D 造影。一般來說，中子造影倚賴不同材質的輻射吸收程度來產生對比。磁性訊號的量測是個新穎的概念，而它的成功部份倚賴偏極器與分析器，還有偵測系統，那均由 HMI 研究者開發、打造。

磁力是 HMI 的核心研究領域之一。例如，為了了解高溫超導體，了解磁通線（magnetic flux lines）如何分佈，以及這些磁通線如何能在這種材料中建立，不可或缺。有了 Kardjilov 的實驗設置，現在有可能將三維磁性結晶體當中的磁疇（magnetic domains）視覺化。

※ 相關報導：

＊ Three-dimensional imaging of magnetic fields with polarized neutrons
http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/abs/nphys912.html

Nikolay Kardjilov, Ingo Manke, Markus Strobl, Andre Hilger,
Wolfgang Treimer, Michael Meissner, Thomas Krist &
John Banhart
Nature Physics Published online: 30 March 2008
doi: 10.1038/nphys912