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A ultralow background magnet for neutron scattering possibilities under extreme conditions at SINQ

English title A ultralow background magnet for neutron scattering possibilities under extreme conditions at SINQ
Applicant van den Brandt Ben
Number 157809
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Labor für Entwicklung und Methoden Forschung mit Neutronen und Myonen Paul Scherrer Institut - PSI
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.10.2015 - 30.09.2017
Approved amount 280'000.00
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Keywords (1)

10 Tesla magnet

Lay Summary (German)

Lead
Neutronen stellen ein ideales Werkzeug zur Untersuchung der Materie dar. Die verschiedenen Neutronenstreutechniken erlauben einzigartige Einblicke in die Wirkprinzipien neuer Festkörperphänomene, die Eigenschaften neuer Materialien sowie biologischer Systeme. Sie sind das Mittel der Wahl zur mikroskopischen Untersuchung magnetischer Eigenschaften wie die von niederdimensionalen Magneten, frustrierten Spinsystemen und Quantenspinsystemen wie z.B. Spinflüssigkeiten oder von multifunktionalen Materialien. Viele der genannten Phänomene treten nur unter bestimmten äußeren Bedingungen auf. Es ist deshalb nötig, externe Parameter wie Temperatur, Druck oder Magnetfeld genau zu kontrollieren. Die Bereitstellung solcher Möglichkeiten ist die Aufgabe der Probenumgebung.
Lay summary

 

Das wachsendes Verständnis unserer Umwelt ist eng verknüpft mit der fortschreitenden Entwicklung in der Instrumentierung und unserer Fähigkeit die Grenzen des Erreichbaren immer wieder zu verschieben. Dies zeigt sich im Streben nach noch tieferen Temperaturen oder höheren Drücke, aber durch die bis dato unerreichte Kombination solcher Parameter. Es ist gerade das Letztgenannte, welches letztlich durch die Erhöhung der Komplexität neuartige Experimente und Erkenntnisse verspricht.

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, mit einem supraleitenden Magneten die Möglichkeiten der Kombination von Probenumgebung auf möglichst vielen Neutronenstreuinstrumenten an der SINQ zu erhöhen. Wir schlagen den Erwerb eines Magneten vor, der ein vertikales Magnetfeld von 10T erreicht und einen großen Probenraumdurchmesser von 50mm hat. Der Magnet ist relativ kompakt, erlaubt zügige Änderungen des Magnetfeldes und besitzt große vertikale und horizontale Öffnungswinkel. Durch das spezielle Design der Öffnungen wird der Signaluntergrund auf ein Minimum reduziert. Dadurch werden spektroskopische Messungen neuer Qualität möglich. Darüber hinaus erhöht es die Messgenauigkeit bei der Bestimmung magnetischer Formfaktoren in Diffraktionsexperimenten. Die großen Öffnungswinkel sind im Hinblick auf geplante Instrumenten gewählt, sodass das ganze Potential dieser Instrumente sofort nutzbar wird. Mehr noch, sie erlauben die Untersuchung von Biomaterialien, deren Eigenschaften sich durch externe Magnetfelder beeinflussen lassen.

Direct link to Lay Summary Last update: 13.07.2015

Responsible applicant and co-applicants

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Laboratory for Neutron Scattering and Imagine/PSI Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
International Conference on Neutron Scattering (ICNS) Poster A Furnace Insert for Cryo-magnets 09.07.2017 Daejeon, Korean Republic (South Korea) Kenzelmann Michel;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
150713 ZEBRA - a new neutron single-crystal diffractometer optimized for small samples and extreme conditions 01.11.2014 R'EQUIP
153451 Exploration of emerging magnetoelectric coupling effects in new materials 01.07.2015 Project funding (Div. I-III)
152734 Spin-liquid and spin-ice states in frustrated rare-earth and transition metal spinels 01.04.2014 SCOPES
140862 Quantum Frustration in Model Magnets 01.07.2012 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Neutron scattering techniques are an indispensable microscopic tool to study the structure of condensed matter, its interactions and elementary excitations. They are unmatched when studying magnetism, i.e. in systems like low dimensional magnets; frustrated spin systems and quantum spin systems like spin liquids as well as multiferroics or topological magnets (skyrmions). To gain insights into their working mechanisms a precise control of many external parameters, such as temperature pressure or magnetic field, is a prerequisite. This is the mission of the sample environment (SE).The progress in our understanding of nature is ultimately tied to the advances in instrumentation and the ability to push external parameters beyond today’s limits or to combine them in previously impossible ways.It is the latter where we see a huge potential for a wealth of experiments in a broad range of scientific research areas. We will showcase a selection of examples in section 2.3. In particular the combination of magnetic field, temperature, pressure and other external parameters will enable unique and innovative experiments to be performed at the swiss neutron scattering source (SINQ).We propose the purchase of a modern, compact split-pair cryomagnet with a unique combination of characteristics: 10 Tesla at 4.2K, fast ramping, a large 50mm diameter sample space, large opening angles, low background, a small outer diameter (see 2.1 and 2.2). The combination of large sample space and low background will path the way for spectroscopic studies of magnetic phenomena under pressure, which will lift SINQ into a worldwide unique position.The low background generated by the proposed magnet will not only make these spectroscopic measurements possible, but also enhance the resolution for determining magnetic form factors of magnetization in diffraction experiments. The opening angles are chosen with foreseen SINQ instrument upgrades in mind to exploit their full potential right from the beginning of their operation. Moreover, they will enable research on magneto-responsive biomaterials whose properties can be tuned by an external magnetic field, which serves as a first step towards the development of smart biomaterials.
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