Au moment de la découverte du neutron en 1932, la cristallographie par diffraction des rayons X était déjà une science reconnue. La diffusion neutronique a connu un rapide essor à partir de la construction du premier réacteur nucléaire à Oak Ridge (1943) capable de fournir des faisceaux de neutrons suffisamment intenses pour étudier la matière condensée. Le prix Nobel de physique de 1994 récompensa Bertram N. Brockhouse et Clifford G. Shull pour leurs contributions au développement des techniques de diffusion neutronique.
Les neutrons comme sonde de la matière
Les neutrons ont en commun avec les rayons X et les électrons qu’ils sont associés à une longueur d’onde qui dépend de l’énergie de la particule (pour les neutrons et les électrons) ou du photon (pour les rayons X). Ces longueurs d’onde doivent être de l’ordre de grandeur des distances entre atomes dans le cristal pour que la diffraction soit observable donc dans un domaine de 0.1 à 10 Å.
Par contre la nature de l’interaction entre ces différents rayonnements et la matière est très différente. Alors que les rayons X interagissent avec le nuage électronique, les neutrons sont sensibles aux noyaux des atomes. Les neutrons peuvent ainsi mettre en évidence les éléments légers peu visibles par diffusion des rayons X, tels que l’hydrogène, et différencier les éléments de numéros atomiques voisins.
D’autre part, la sensibilité de la diffraction magnétique des neutrons par les moments magnétiques électroniques dépasse de plusieurs ordres de grandeur celle de la diffraction magnétique des rayons X, d’où la spécificité des neutrons pour l’étude du magnétisme.
Les travaux de Bertram N. Brockhouse et Clifford G. Shull ont permis des percées importantes dans l’étude de la matière condensée autant pour leurs propriétés structurales (diffraction des neutrons) que pour leurs propriétés dynamiques (spectroscopie de diffusion des neutrons).
Référence : C. G. Shull and E. O. Wollan, 1948, Science, 108: 69-75
