Ontstaansgeschiedenis van PAC

Wie zijn de ouders van PAC ?

In 1940 publiceerde D.R. Hamilton een artikel [1] waarin hij de theorie van de hoekcorrelatie van een gamma-gamma-cascade behandelde. Pas zeven jaar later lukte het Brady and Deutsch om zo'n correlatie ook experimenteel waar te nemen [2]. Zij werkten noodgedwongen met Geiger-tellers die een laag detectierendement paarden aan een slecht tijdoplossend vermogen, en bovendien geen enkel energieoplossend vermogen bezaten. Het is werkelijk verbazingwekkend dat met zulke primitieve middelen een positief resultaat werd verkregen. De experimentele situatie werd aanzienlijk beter toen scintillatiedetectoren beschikbaar kwamen. Vanaf dat ogenblik werden gamma-gamma-hoekcorrelatiemetingen een standaardtechniek om spin en pariteit van kerntoestanden te bepalen.

Men realiseerde zich al snel dat extranucleaire velden de hoekcorrelatie kunnen beïnvloeden en in sommige gevalen volledig teniet doen [3]. In feite maakte deze eigenschap het mogelijk om de g-factor [4] en het quadrupoolmoment [5] van de kern te meten, en men begon tevens de methode toe te passen om eigenschappen van de vaste stof te meten [6]. Zowel de theorie als de experimentele technieken werden stapsgewijs verbeterd, door vele onderzoekers, en het duurde niet lang of de eerste resultaten van een tijd-differentiële hoekcorrelatiemeting (PAC) werden gepubliceerd [7].

De vroege periode

De eerste PAC-experimenten waren bedoeld om magnetische en electrische hyperfijnvelden te bepalen. Hiertoe werd een geschikt atoom aangebracht in de te onderzoeken stof, gewoonlijk een chemische verbinding of een verdunde legering. Een van de experimentele doelstellingen in de vroege periode was het systematisch verzamelen van gegevens omtrent magnetische hyperfijnvelden in ferromagnetische materialen als ijzer, kobalt, nikkel en gadolinium, en electrische veldgradiënten in chemische verbindingen en niet kubische metalen.

De preparaten voor deze experimenten werden verkregen door middel van chemische en metallurgische bereidingswijzen. In het midden van de zestiger jaren werd ionenimplantatie toegevoegd aan het arsenaal van bereidingswijzen [8]. Men was zich ervan bewust dat ionenimplantatie de onmiddellijke omgeving van het geïmplanteerde atoom zou kunnen verstoren, maar de eerste resultaten van implantatieëxperimenten leken aan te tonen dat roosterschade geen belangrijk effect was. Sterker, in het eerste PAC-onderzoek naar roosterdefecten, al in1963 uitgevoerd, maakten Hinman et al. geen gebruik van ionenimplantatie maar bombardeerden zij hun preparaten met 40 MeV alpha-deeltjes [9].

Slechts weinige jaren later waren puntdefecten in metalen een modieus toepassingsgebied geworden van PAC. Tegen die tijd had PAC zich ontwikkeld tot een methode die nog steeds wijdverbreide toepassing vindt in het bestuderen, op een atomaire schaal, van een grote verscheidenheid aan vraagstukken op het gebied van de vaste stof.

Eerste generatie van defectstudies

Gedurende de hierop volgende periode werden puntdefecten - en roostervacatures in het bijzonder - in nagenoeg alle kubische en niet kubische metalen waargenomen. Ionenimplantatie was de meest frequent toegepaste methode om radioactieve probe-atomen in de vaste stof te introduceren en gelijktijdig puntdefecten te creëren. Vragen die men probeerde te beantwoorden hadden betrekking op de aard van de waargenomen elementaire defecten (vacature vs. interstitieel), het aantal vacatures in een bepaalde defectcluster, en de geometrische ordening van deze vacatures. Toen eenmaal monokristallijne preparaten waren geïntroduceerd [10], was het mogelijk om ook waardevolle informatie omtrent de symmetrie van defectclusters te verkrijgen.

Tweede generatie van defectstudies

In hedendaagse PAC-experimenten worden niet zozeer de elementaire defecten zelf bestudeerd, maar maakt men gebruik van vacatureclusters, die nu routinematig kunnen worden gemaakt, om andere beweeglijke objecten zoals interstitiële atomen in te vangen. In deze tweede generatie van defectstudies is het aan de invangcapaciteit van de vacature te danken dat het interstitiële atoom zich zo dicht bij het radioactieve probe-atoom bevindt dat het door middel van hyperfijnwisselwerking kan worden bestudeerd, precies zoals daarvoor het onderzoek aan vacatureclusters mogelijk was geworden dankzij de invangcapaciteit van het radioactieve 111In-atom.

1. D.R. Hamilton, Phys. Rev. 58 (1940) 122
2. E.L. Brady and M. Deutsch, Phys. Rev. 72 (1947) 870
3. G. Goertzel, Phys. Rev. 70 (1946) 897
4. H. Aeppli, H. Albers-Schönberg, A.S. Bishop, H. Frauenfelder, and H. Heer, Phys. Rev. 84 (1951) 370
5. H. Albers-Schönberg, K. Alder, O. Braun, E. Heer, and T.B. Novey, Phys. Rev. 91 (1953) 1287
6. E. Heer and T.B. Novey, Solid State Physics, Vol. 9, ed. F. Seitz and D. Turnbull (Academic Press, New York, 1959) p. 200
7. P. Lehmann and J. Miller, Comptes Rendus 240 (1955) 298
8. H. de Waard and S.A. Drentje, Phys. Lett. 20 (1966) 38
9. G.W. Hinman, G.R. Hoy, J.K. Lees, and J.C. Serio, Phys. Rev. 135 (1964) A218
10. F. Pleiter, Hyperfine Interact. 5 (1977) 109