En stråle af "snoede" neutroner med et veldefineret orbital vinkelmoment (OAM) er blevet skabt af forskere i Canada og USA. Dette blev gjort ved at sende en neutronstråle fra en atomreaktor gennem en speciel række af diffraktionsgitre. Beskrevet som den første observation af en neutronstråle med en veldefineret OAM, er eksperimentet kulminationen på flere års arbejde af nogle af teammedlemmerne, som først rapporterede foreløbige observationer af snoede neutroner i 2015.
Ifølge kvantemekanikken opfører subatomære partikler som neutroner sig som både bølger og partikler. Denne bølge-partikel-dualitet har givet anledning til det brede og frugtbare felt af neutronspredning, hvorved de indre strukturer af materialer undersøges ved hjælp af neutronstråler fra atomreaktorer og acceleratorer. Mens sådanne eksperimenter længe har brugt neutronens iboende vinkelmomentum (spin), er fysikere også ivrige efter at skabe og detektere stråler af snoede neutroner, der bærer OAM.
Forskere har allerede været i stand til at skabe bjælker af snoet lys , snoede elektroner hvor bølgefronterne roterer om udbredelsesretningen og derved bærer OAM. Disse stråler har en bred vifte af aktuelle og potentielle applikationer, herunder undersøgelse af chirale molekyler og boostning af kapaciteten af optiske telekommunikationssystemer.
Eksperimentelle udfordringer
Hidtil har fysikere dog kæmpet for at skabe stråler af snoede neutroner. I 2015 Dmitry Pushin og kolleger ved University of Waterloo sammen med fysikere ved Joint Quantum Institute i Maryland og Boston University udgav en artikel i Natur at beskrev en teknik til at skabe snoede neutroner ved at sende en stråle af neutroner gennem en spiralfaseplade (SPP) - en enhed, der er blevet brugt til at skabe snoet lys og snoede elektroner.
Det gjorde de ved at dele en neutronstråle i to og sende en stråle gennem SPP'en. De to stråler blev derefter rekombineret, og forskerne målte en interferenseffekt relateret til orbital vinkelmomentum. Men i 2018 et uafhængigt hold af fysikere offentliggjorte beregninger der viste, at interferenseffekten målt af Pushin og kolleger ikke var relateret til orbital vinkelmomentum.
Uafskrækket har Pushin og kolleger taget en ny tilgang og hævder nu succes. I stedet for at bruge en SPP brugte forskerne en holografisk teknik, der involverer en række millioner af specielle gitre lavet af silicium. Hver rist har en "gaffelforskydning", hvorved en af linjerne i risten deler sig i fire linjer, hvilket skaber en gaffellignende struktur (se figur).
Seks millioner riste
Hvert gitter måler en kvadratisk mikrometer og omfatter siliciumstrukturer, der er 500 nm høje og adskilt af omkring 120 nn. Arrayet dækker et areal på 0.5×0.5 cm2 og omfatter over seks millioner individuelle riste.
Fysikere sår tvivl om 'snoede' neutroner
Holdet testede deres system på en lille vinkel neutronspredning (SANS) beamline ved High Flux Isotope Reactor ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee. Forskerne siger, at SANS-opsætningen gav flere fordele, herunder evnen til at kortlægge neutronstrålen i det fjerne felt - hvilket betød, at en holografisk teknik kunne bruges til at skabe de snoede neutroner. Instrumenteringen på beamline kunne også tilpasses til at måle neutronernes orbitale vinkelmomentum.
Efter at have passeret gennem arrayet rejste neutronstrålen en afstand på 19 m til et neutronkamera. Billeder taget af kameraet viser det karakteristiske doughnut-formede mønster, der forventes fra en stråle af snoede neutroner, der er i en bestemt tilstand af orbital vinkelmomentum. De doughnutformede mønstre var omkring 10 cm i diameter.
Holdet siger, at deres opsætning kunne bruges til at studere de topologiske egenskaber af stof - egenskaber, der kan vise sig nyttige i udviklingen af nye kvanteteknologier. Det kunne også bruges i grundlæggende undersøgelser af, hvordan orbital vinkelmomentum påvirker, hvordan neutroner interagerer med stof.
Forskningen er beskrevet i Science Forskud.
