پرتوی از نوترون‌های «پیچیده» با تکانه زاویه‌ای مداری کاملاً مشخص (OAM) توسط محققان کانادایی و ایالات متحده ایجاد شده است. این کار با عبور یک پرتو نوترونی از یک راکتور هسته ای از میان یک آرایه خاص از توری های پراش انجام شد. این آزمایش که به عنوان اولین مشاهده پرتوی نوترونی با OAM کاملاً مشخص توصیف می‌شود، اوج چندین سال کار برخی از اعضای تیم است که برای اولین بار در سال 2015 مشاهدات آزمایشی نوترون‌های پیچ خورده را گزارش کردند.
بر اساس مکانیک کوانتومی، ذرات زیر اتمی مانند نوترون ها هم مانند امواج و هم مانند ذرات رفتار می کنند. این دوگانگی موج-ذره باعث ایجاد زمینه گسترده و پربار پراکندگی نوترون شده است، به موجب آن ساختارهای داخلی مواد با استفاده از پرتوهای نوترون از راکتورها و شتاب دهنده های هسته ای کاوش می شوند. در حالی که چنین آزمایش‌هایی مدت‌هاست که از تکانه زاویه‌ای ذاتی (اسپین) نوترون استفاده می‌کنند، فیزیکدانان همچنین مشتاق ایجاد و تشخیص پرتوهای نوترون‌های پیچ خورده هستند که OAM را حمل می‌کنند.
محققان قبلاً توانسته اند پرتوهایی از نور پیچ خورده و الکترون های پیچ خورده که در آن جبهه‌های موج حول جهت انتشار می‌چرخند و در نتیجه OAM را حمل می‌کنند. این پرتوها دارای طیف گسترده ای از کاربردهای فعلی و بالقوه از جمله مطالعه مولکول های کایرال و افزایش ظرفیت سیستم های مخابراتی نوری هستند.
چالش های تجربی
با این حال، تاکنون، فیزیکدانان برای ایجاد پرتوهایی از نوترون های پیچ خورده تلاش کرده اند. در سال 2015، دیمیتری پوشین و همکارانش در دانشگاه واترلو، همراه با فیزیکدانان مؤسسه کوانتومی مشترک در مریلند و دانشگاه بوستون مقاله ای را در طبیعت که یک تکنیک را توصیف کرد برای ایجاد نوترون های پیچ خورده با عبور پرتوی از نوترون ها از یک صفحه فاز مارپیچی (SPP) - دستگاهی که برای ایجاد نور پیچ خورده و الکترون های پیچ خورده استفاده شده است.
آنها این کار را با تقسیم یک پرتو نوترونی به دو بخش و ارسال یک پرتو از طریق SPP انجام دادند. سپس دو پرتو دوباره با هم ترکیب شدند و محققان اثر تداخل مربوط به تکانه زاویه‌ای مداری را اندازه‌گیری کردند. با این حال، در سال 2018 یک تیم مستقل از فیزیکدانان محاسبات منتشر شده که نشان داد اثر تداخل اندازه گیری شده توسط پوشین و همکارانش با تکانه زاویه ای مداری ارتباطی ندارد.
پوشین و همکارانش که دلسرد نشده اند رویکرد جدیدی را در پیش گرفته اند و اکنون مدعی موفقیت هستند. به جای استفاده از SPP، محققان از تکنیک هولوگرافی استفاده کردند که شامل مجموعه ای از میلیون ها توری مخصوص ساخته شده از سیلیکون است. هر توری دارای یک "دررفتگی چنگال" است که به موجب آن یکی از خطوط در توری به چهار خط تقسیم می شود و ساختاری چنگال مانند ایجاد می کند (شکل را ببینید).
شش میلیون گریتینگ
اندازه هر شبکه یک میکرون مربع است و شامل ساختارهای سیلیکونی است که 500 نانومتر ارتفاع دارند و حدود 120 نانومتر از هم جدا می شوند. این آرایه مساحت 0.5×0.5 سانتی متر را پوشش می دهد2 و شامل بیش از شش میلیون گریتینگ جداگانه است.
فیزیکدانان در مورد نوترون های «پیچیده» تردید می کنند
این تیم سیستم خود را بر روی یک پرتو پراکنده نوترونی با زاویه کوچک (SANS) در راکتور ایزوتوپی شار بالا در آزمایشگاه ملی اوک ریج در تنسی آزمایش کردند. محققان می‌گویند که راه‌اندازی SANS چندین مزیت از جمله توانایی نقشه‌برداری پرتو نوترون در میدان دور را ارائه می‌دهد - که به این معنی است که می‌توان از یک تکنیک هولوگرافیک برای ایجاد نوترون‌های پیچ خورده استفاده کرد. همچنین، ابزار دقیق روی خط پرتو می‌تواند برای اندازه‌گیری تکانه زاویه‌ای مداری نوترون‌ها تنظیم شود.
پرتو نوترونی پس از عبور از آرایه، مسافت 19 متری را تا یک دوربین نوترونی طی کرد. تصاویر گرفته شده توسط دوربین، الگوی متمایز دوناتی شکلی را نشان می دهد که از پرتو نوترون های پیچ خورده ای انتظار می رود که در حالت خاصی از تکانه زاویه ای مداری قرار دارند. نقوش دوناتی شکل حدود 10 سانتی متر قطر داشتند.
این تیم می‌گوید که از راه‌اندازی آنها می‌توان برای مطالعه خواص توپولوژیکی ماده استفاده کرد - ویژگی‌هایی که می‌توانند در توسعه فناوری‌های کوانتومی جدید مفید باشند. همچنین می‌توان از آن در مطالعات بنیادی در مورد چگونگی تأثیر تکانه زاویه‌ای مداری بر نحوه تعامل نوترون‌ها با ماده استفاده کرد.
تحقیق در شرح داده شده است با پیشرفتهای علمی.
