Investigadores de Canadá y Estados Unidos han creado un haz de neutrones "retorcidos" con un momento angular orbital (OAM) bien definido. Esto se hizo pasando un haz de neutrones de un reactor nuclear a través de una serie especial de rejillas de difracción. Descrito como la primera observación de un haz de neutrones con un OAM bien definido, el experimento es la culminación de varios años de trabajo por parte de algunos de los miembros del equipo, quienes informaron por primera vez de observaciones tentativas de neutrones torcidos en 2015.
De acuerdo con la mecánica cuántica, las partículas subatómicas como los neutrones se comportan como ondas y partículas. Esta dualidad onda-partícula ha dado lugar al amplio y fructífero campo de la dispersión de neutrones, mediante el cual se sondean las estructuras interiores de los materiales utilizando haces de neutrones de reactores y aceleradores nucleares. Si bien tales experimentos han utilizado durante mucho tiempo el momento angular intrínseco (giro) del neutrón, los físicos también están interesados en crear y detectar haces de neutrones retorcidos que transportan OAM.
Los investigadores ya han sido capaces de crear haces de luz retorcida y electrones retorcidos en el que los frentes de onda giran en torno a la dirección de propagación, transportando así OAM. Estos haces tienen una amplia gama de aplicaciones actuales y potenciales, incluido el estudio de moléculas quirales y el aumento de la capacidad de los sistemas de telecomunicaciones ópticas.
Desafíos experimentales
Sin embargo, hasta ahora, los físicos se han esforzado por crear haces de neutrones retorcidos. En 2015, Dmitri Pushin y colegas de la Universidad de Waterloo, junto con físicos del Joint Quantum Institute en Maryland y la Universidad de Boston publicaron un artículo en Naturaleza esa describió una técnica para crear neutrones torcidos al pasar un haz de neutrones a través de una placa de fase espiral (SPP), un dispositivo que se ha utilizado para crear luz torcida y electrones torcidos.
Hicieron esto dividiendo un haz de neutrones en dos y enviando un haz a través del SPP. Luego, los dos haces se recombinaron y los investigadores midieron un efecto de interferencia relacionado con el momento angular orbital. Sin embargo, en 2018 un equipo independiente de físicos cálculos publicados eso mostró que el efecto de interferencia medido por Pushin y sus colegas no estaba relacionado con el momento angular orbital.
Sin inmutarse, Pushin y sus colegas han adoptado un nuevo enfoque y ahora afirman tener éxito. En lugar de usar un SPP, los investigadores usaron una técnica holográfica que involucra una serie de millones de rejillas especiales hechas de silicio. Cada rejilla tiene una "dislocación de horquilla" en la que una de las líneas de la rejilla se divide en cuatro líneas, creando una estructura similar a una horquilla (ver figura).
Seis millones de rejillas
Cada rejilla mide una micra cuadrada y comprende estructuras de silicio que tienen una altura de 500 nm y están separadas por aproximadamente 120 nn. La matriz cubre un área de 0.5 × 0.5 cm.2 e incluye más de seis millones de rejillas individuales.
Los físicos ponen en duda los neutrones 'retorcidos'
El equipo probó su sistema en una línea de luz de dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) en el reactor de isótopos de alto flujo en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee. Los investigadores dicen que la configuración de SANS ofrecía varias ventajas, incluida la capacidad de mapear el haz de neutrones en el campo lejano, lo que significaba que se podía usar una técnica holográfica para crear los neutrones retorcidos. Además, la instrumentación en la línea de luz podría adaptarse para medir el momento angular orbital de los neutrones.
Después de atravesar la matriz, el haz de neutrones recorrió una distancia de 19 m hasta una cámara de neutrones. Las imágenes tomadas por la cámara muestran el patrón distintivo en forma de rosquilla que se espera de un haz de neutrones retorcidos que se encuentra en un estado específico de momento angular orbital. Los patrones en forma de rosquilla tenían unos 10 cm de diámetro.
El equipo dice que su configuración podría usarse para estudiar las propiedades topológicas de la materia, propiedades que podrían resultar útiles en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas. También podría usarse en estudios fundamentales de cómo el momento angular orbital afecta la forma en que los neutrones interactúan con la materia.
La investigación se describe en Science Advances.
