تم إنشاء حزمة من النيوترونات "الملتوية" ذات الزخم الزاوي المداري المحدد جيدًا (OAM) بواسطة باحثين في كندا والولايات المتحدة. تم ذلك عن طريق تمرير شعاع نيوتروني من مفاعل نووي عبر مجموعة خاصة من حواجز الانعراج. وصفت هذه التجربة بأنها أول ملاحظة لشعاع نيوتروني مع OAM محدد جيدًا ، وهي تتويجًا لعدة سنوات من العمل من قبل بعض أعضاء الفريق ، الذين أبلغوا لأول مرة عن ملاحظات مبدئية للنيوترونات الملتوية في عام 2015.
وفقًا لميكانيكا الكم ، تتصرف الجسيمات دون الذرية مثل النيوترونات مثل الموجات والجسيمات. أدت ازدواجية الموجة والجسيم إلى نشوء مجال واسع ومثمر من تشتت النيوترونات ، حيث يتم فحص الهياكل الداخلية للمواد باستخدام حزم من النيوترونات من المفاعلات والمسرعات النووية. في حين أن مثل هذه التجارب قد استخدمت منذ فترة طويلة الزخم الزاوي الجوهري (الدوران) للنيوترون ، فإن الفيزيائيين حريصون أيضًا على إنشاء واكتشاف حزم من النيوترونات الملتوية التي تحمل OAM.
تمكن الباحثون بالفعل من إنشاء حزم من ضوء ملتوي و الإلكترونات الملتوية حيث تدور جبهات الموجة حول اتجاه الانتشار ، وبالتالي تحمل OAM. تحتوي هذه الحزم على مجموعة واسعة من التطبيقات الحالية والمحتملة بما في ذلك دراسة الجزيئات اللولبية وتعزيز قدرة أنظمة الاتصالات الضوئية.
تحديات تجريبية
ومع ذلك ، كافح علماء الفيزياء حتى الآن لإنشاء حزم من النيوترونات الملتوية. في عام 2015 ، ديمتري بوشين وزملاؤهم في جامعة واترلو ، جنبًا إلى جنب مع علماء الفيزياء في معهد الكم المشترك في ماريلاند وجامعة بوسطن ، نشروا بحثًا في الطبيعة أن وصف تقنية لتكوين نيوترونات ملتوية عن طريق تمرير شعاع من النيوترونات عبر لوح طور حلزوني (SPP) - جهاز تم استخدامه لتكوين ضوء ملتوي وإلكترونات ملتوية.
لقد فعلوا ذلك عن طريق تقسيم شعاع نيوتروني إلى قسمين وإرسال حزمة واحدة عبر SPP. ثم أعيد تجميع الشعاعين وقام الباحثون بقياس تأثير التداخل المرتبط بالزخم الزاوي المداري. ومع ذلك ، في عام 2018 فريق مستقل من علماء الفيزياء الحسابات المنشورة التي أظهرت أن تأثير التداخل الذي قاسه بوشين وزملاؤه لم يكن مرتبطًا بالزخم الزاوي المداري.
لم يتوانى بوشين وزملاؤه عن اتباع نهج جديد وهم يدعون الآن النجاح. بدلاً من استخدام SPP ، استخدم الباحثون تقنية ثلاثية الأبعاد تتضمن مجموعة من الملايين من حواجز شبكية خاصة مصنوعة من السيليكون. يحتوي كل حاجز على "خلع شوكة" حيث ينقسم أحد الخطوط الموجودة في الشبكة إلى أربعة خطوط ، مما يؤدي إلى تكوين هيكل يشبه الشوكة (انظر الشكل).
ستة ملايين حواجز شبكية
يقيس كل صريف مربعًا واحدًا ويتألف من هياكل سيليكون يبلغ ارتفاعها 500 نانومتر ويفصل بينها حوالي 120 نانومتر. تغطي المصفوفة مساحة 0.5 × 0.5 سم2 ويشمل أكثر من ستة ملايين حواجز شبكية فردية.
شكك علماء الفيزياء في النيوترونات "الملتوية"
اختبر الفريق نظامهم على خط إشعاع نثر نيوتروني صغير الزاوية (SANS) في مفاعل النظائر عالية التدفق في مختبر أوك ريدج الوطني في تينيسي. يقول الباحثون إن نظام SANS قدم العديد من المزايا ، بما في ذلك القدرة على تعيين شعاع النيوترون في المجال البعيد - مما يعني أنه يمكن استخدام تقنية ثلاثية الأبعاد لإنشاء النيوترونات الملتوية. أيضًا ، يمكن تكييف الأجهزة الموجودة على خط الأشعة لقياس الزخم الزاوي المداري للنيوترونات.
بعد المرور عبر المصفوفة ، قطع شعاع النيوترون مسافة 19 مترًا إلى كاميرا نيوترونية. تُظهر الصور التي التقطتها الكاميرا نمطًا مميزًا على شكل كعكة دائرية يُتوقع من شعاع من النيوترونات الملتوية في حالة معينة من الزخم الزاوي المداري. كانت الأنماط على شكل دونات يبلغ قطرها حوالي 10 سم.
يقول الفريق إنه يمكن استخدام إعدادهم لدراسة الخصائص الطوبولوجية للمادة - وهي خصائص يمكن أن تكون مفيدة في تطوير تقنيات كمومية جديدة. يمكن استخدامه أيضًا في الدراسات الأساسية حول كيفية تأثير الزخم الزاوي المداري على كيفية تفاعل النيوترونات مع المادة.
تم وصف البحث في علم السلف.
