Detaljeret forståelse af materialers struktur og dynamik på atomart niveau er en afgørende forudsætning for at forstå deres fysiske egenskaber, og dermed også for design af nye materialer af teknologisk interesse. Eksempler inkluderer komponenter af nye lægemidler til sygdomsbekæmpelse, superledere samt materialer med anvendelser inden for solceller og datalagring. Neutron- og røntgenspredning er komplementære metoder som finder bred anvendelse inden for fysik, kemi, biologi og anvendt materialevidenskab.

Kurset introducerer en række eksperimentelle teknikker inden for neutron- og røntgenspredning som tillader bestemmelse af alle relevante strukturelle parametre for molekyler, amorfe materialer og krystaller, herunder også magnetisk struktur. Elementære eksitationer af de relevante strukturelle, elektroniske og magnetiske frihedsgrader (såsom molekylære vibrationer, fononer og spinbølger) kan desuden studeres i stor detalje, enten direkte i det ultrahurtige tidsdomæne eller via deres spektroskopiske signaturer. Indenfor billeddannelse (imaging) med røntgen og neutroner kan struktur studeres lokalt i materialet. Dermed giver disse teknikker mulighed for at afdække de fundamentale mekanismer, der styrer sammenhængene imellem struktur og funktion af materialer over en bred vifte af tids- og længdeskalaer.

Kursets overordnede mål er at give en bred forståelse af moderne røntgen- og neutronspredning, samt en grundig introduktion til hvordan teknikkerne anvendes i praksis i studier af materialers struktur og dynamik. Vigtigheden af neutron og røntgenspredning understreges af at den danske stat i disse år foretager meget store investeringer i konstruktionen af European Spallation Source (ESS) og MAX-IV i Lund, Sverige, samt i European XFEL i Hamborg, Tyskland. DTU er stærkt involveret i metodeudvikling samt design og konstruktion af instrumenter ved alle tre faciliteter. En studerende, der fuldt ud har opfyldt kursets mål, vil kunne:

• Beskrive metoder til produktion af røntgen- og neutronstråler.
• Diskutere hvordan kerner og elektroner vekselvirker med neutroner og røntgen-fotoner.
• Illustrere principperne bag strukturbestemmelse med røntgen og neutroner ved hjælp af konkrete eksempler.
• Undersøge hvorledes røntgen og neutroner tillader bestemmelse af gitter- og magnetisk dynamik.
• Beregne sprednings- og absorptionstværsnit samt dynamiske strukturfaktorer kvantitativt.
• Identificere principperne bag grundlæggende eksperimentelle teknikker til studier af struktur og dynamik.
• Illustrere hvordan virtuelle eksperimenter kan anvendes til design og optimering af instrumenter, herunder optik.
• Argumentere for komplementaritet imellem røntgen- og neutronspredning.
• Forklare hvordan studiet af fysiske processer på bestemte karakteristiske tids- og længdeskalaer dikterer valget af bestemte instrument-typer ved enten neutron- eller røntgenfaciliteter.
• Formulere en ansøgning om måletid ud fra kendskab til nuværende og kommende neutron- og røntgenfaciliteter og instrumenter

Kurset indfører den studerende i sammenhængen mellem materialers struktur og dynamik og de tilhørende spredningsfænomener, som kan observeres ved internationale neutron- og røntgenfaciliteter, såsom ILL og ESRF i Grenoble, Frankrig og de opkommende faciliteter ESS, MAX-IV og European X-FEL. Den studerende introduceres til nøglebegreber såsom tværsnit, spredningsfaktorer, absorption, diffraktion, småvinkelspredning, spektroskopi og fluorescens. Efter succesfuld gennemførelse af kurset vil den studerende have opnået passende forudsætninger inden for neutron og røntgen-forskning til at kunne indgå i forskningssamarbejder i akademisk eller industriel sammenhæng. Andrew T. Boothroyd, Principles of Neutron Scattering from Condensed Matter, Oxford University Press (2020).
J. Als-Nielsen & D. F. McMorrow, Elements of Modern X-ray Physics, John Wiley & Sons, Ltd (2011)
P. Willmott, An Introduction to Synchrotron Radiation: Techniques and Applications, Second Edition, John Wiley & Sons Ltd (2019), DOI:10.1002/​9781119280453
samt supplerende kopier og noter om neutron- og røntgenspredning. 22. april, 2021