Forscher in Kanada und den USA haben einen Strahl „verdrehter“ Neutronen mit einem wohldefinierten Bahndrehimpuls (OAM) erzeugt. Dazu wurde ein Neutronenstrahl aus einem Kernreaktor durch eine spezielle Anordnung von Beugungsgittern geleitet. Das Experiment, das als die erste Beobachtung eines Neutronenstrahls mit einem wohldefinierten OAM beschrieben wird, ist der Höhepunkt einer mehrjährigen Arbeit einiger Teammitglieder, die 2015 erstmals über vorläufige Beobachtungen von verdrehten Neutronen berichteten.
Gemäß der Quantenmechanik verhalten sich subatomare Teilchen wie Neutronen sowohl wie Wellen als auch wie Teilchen. Diese Welle-Teilchen-Dualität hat zu dem breiten und fruchtbaren Gebiet der Neutronenstreuung geführt, bei der die inneren Strukturen von Materialien unter Verwendung von Neutronenstrahlen aus Kernreaktoren und Beschleunigern untersucht werden. Während solche Experimente seit langem den intrinsischen Drehimpuls (Spin) des Neutrons nutzen, sind Physiker auch daran interessiert, Strahlen aus verdrillten Neutronen zu erzeugen und zu detektieren, die OAM tragen.
Forscher konnten bereits Strahlen erzeugen verdrehtes Licht und verdrehte Elektronen bei dem sich die Wellenfronten um die Ausbreitungsrichtung drehen und dadurch OAM tragen. Diese Strahlen haben ein breites Spektrum aktueller und potenzieller Anwendungen, einschließlich der Untersuchung chiraler Moleküle und der Steigerung der Kapazität optischer Telekommunikationssysteme.
Experimentelle Herausforderungen
Bisher haben sich Physiker jedoch schwer getan, Strahlen aus verdrehten Neutronen zu erzeugen. 2015, Dmitri Pushin und Kollegen der University of Waterloo zusammen mit Physikern des Joint Quantum Institute in Maryland und der Boston University veröffentlichten eine Abhandlung in Natur zur Verbesserung der Gesundheitsgerechtigkeit eine Technik beschrieben zur Erzeugung verdrehter Neutronen, indem ein Neutronenstrahl durch eine Spiralphasenplatte (SPP) geleitet wird – eine Vorrichtung, die verwendet wurde, um verdrehtes Licht und verdrehte Elektronen zu erzeugen.
Sie taten dies, indem sie einen Neutronenstrahl in zwei Teile teilten und einen Strahl durch das SPP schickten. Die beiden Strahlen wurden dann wieder kombiniert und die Forscher maßen einen Interferenzeffekt im Zusammenhang mit dem Bahndrehimpuls. 2018 jedoch ein unabhängiges Team von Physikern veröffentlichte Berechnungen die zeigten, dass der von Pushin und Kollegen gemessene Interferenzeffekt nicht mit dem Bahndrehimpuls zusammenhängt.
Unbeirrt haben Pushin und seine Kollegen einen neuen Ansatz gewählt und behaupten nun Erfolg. Anstatt ein SPP zu verwenden, verwendeten die Forscher eine holografische Technik, die eine Anordnung von Millionen spezieller Gitter aus Silizium beinhaltet. Jedes Gitter hat eine „Gabelversetzung“, wodurch sich eine der Linien im Gitter in vier Linien aufspaltet, wodurch eine gabelartige Struktur entsteht (siehe Abbildung).
Sechs Millionen Gitter
Jedes Gitter misst ein Quadratmikrometer und umfasst Siliziumstrukturen, die 500 nm hoch und etwa 120 nm voneinander getrennt sind. Das Array deckt eine Fläche von 0.5 × 0.5 cm ab2 und umfasst über sechs Millionen einzelne Gitter.
Physiker bezweifeln „verdrehte“ Neutronen
Das Team testete sein System an einer Small Angle Neutron Scattering (SANS) Strahllinie am High Flux Isotope Reactor am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. Die Forscher sagen, dass der SANS-Aufbau mehrere Vorteile bot, einschließlich der Fähigkeit, den Neutronenstrahl im Fernfeld abzubilden – was bedeutete, dass eine holografische Technik verwendet werden konnte, um die verdrehten Neutronen zu erzeugen. Außerdem könnte die Instrumentierung am Strahlrohr angepasst werden, um den Bahndrehimpuls von Neutronen zu messen.
Nach Durchlaufen des Arrays legte der Neutronenstrahl eine Strecke von 19 m zu einer Neutronenkamera zurück. Die von der Kamera aufgenommenen Bilder zeigen das charakteristische ringförmige Muster, das von einem Strahl verdrehter Neutronen erwartet wird, der sich in einem bestimmten Zustand des Bahndrehimpulses befindet. Die donutförmigen Muster hatten einen Durchmesser von etwa 10 cm.
Das Team sagt, dass ihr Aufbau verwendet werden könnte, um die topologischen Eigenschaften von Materie zu untersuchen – Eigenschaften, die sich bei der Entwicklung neuer Quantentechnologien als nützlich erweisen könnten. Es könnte auch in grundlegenden Studien dazu verwendet werden, wie der Bahndrehimpuls die Wechselwirkung von Neutronen mit Materie beeinflusst.
Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft Fortschritte.
