Kanadan ja Yhdysvaltojen tutkijat ovat luoneet "kierrettyjen" neutronien säteen, jolla on hyvin määritelty orbitaalikulmamomentti (OAM). Tämä tehtiin johtamalla neutronisäde ydinreaktorista erityisen diffraktiohilan läpi. Kokeilua kuvataan ensimmäiseksi havainnoksi neutronisäteestä, jossa on hyvin määritelty OAM, ja se on joidenkin ryhmän jäsenten useiden vuosien työn huipentuma. He raportoivat ensimmäisen kerran alustavista havainnoista kierretyistä neutroneista vuonna 2015.
Kvanttimekaniikan mukaan subatomiset hiukkaset, kuten neutronit, käyttäytyvät sekä aaltojen että hiukkasten tavoin. Tämä aalto-hiukkas-kaksoisisuus on synnyttänyt laajan ja hedelmällisen neutronien sirontakentän, jossa materiaalien sisäisiä rakenteita tutkitaan ydinreaktoreista ja kiihdyttimistä tulevilla neutronisäteillä. Vaikka tällaisissa kokeissa on pitkään käytetty neutronin luontaista kulmamomenttia (spin), fyysikot ovat myös innokkaita luomaan ja havaitsemaan kierrettyjen neutronien säteitä, jotka kuljettavat OAM:ia.
Tutkijat ovat jo pystyneet luomaan säteitä kierretty valo ja kierrettyjä elektroneja jossa aaltorintamat pyörivät etenemissuunnan ympäri kuljettaen siten OAM:ia. Näillä säteillä on laaja valikoima nykyisiä ja potentiaalisia sovelluksia, mukaan lukien kiraalisten molekyylien tutkiminen ja optisten tietoliikennejärjestelmien kapasiteetin lisääminen.
Kokeelliset haasteet
Toistaiseksi fyysikot ovat kuitenkin kamppailleet luodakseen kierrettyjen neutronien säteitä. Vuonna 2015 Dmitri Pushin ja kollegat Waterloon yliopistosta sekä fyysikot Joint Quantum Institutesta Marylandista ja Bostonin yliopistosta julkaisivat artikkelin luonto että kuvaili tekniikkaa kierrettyjen neutronien luomiseen ohjaamalla neutronisäde spiraalifaasilevyn (SPP) läpi – laite, jota on käytetty kierretyn valon ja kierrettyjen elektronien luomiseen.
He tekivät tämän jakamalla neutronisäteen kahtia ja lähettämällä yhden säteen SPP:n läpi. Sitten kaksi sädettä yhdistettiin uudelleen ja tutkijat mittasivat kiertoradan kulmaliikemäärään liittyvän interferenssin. Kuitenkin vuonna 2018 riippumaton fyysikoiden ryhmä julkaistuja laskelmia joka osoitti, että Pushinin ja kollegoiden mittaama häiriövaikutus ei liittynyt kiertoradan kulmaliikemäärään.
Pushin ja kollegat ovat lannistumatta omaksuneet uuden lähestymistavan ja väittävät nyt menestystä. SPP:n sijaan tutkijat käyttivät holografista tekniikkaa, joka sisältää joukon miljoonia erityisiä piistä valmistettuja ritilöitä. Jokaisessa ritilässä on "haarukkasiirtymä", jolloin yksi ritilän viivoista jakautuu neljään riviin, jolloin syntyy haarukkamainen rakenne (katso kuva).
Kuusi miljoonaa ritilää
Jokainen hila on kooltaan yksi mikronin neliö ja sisältää piirakenteita, jotka ovat 500 nm korkeita ja joita erottaa noin 120 nn. Sarjan pinta-ala on 0.5 × 0.5 cm2 ja sisältää yli kuusi miljoonaa yksittäistä ritilää.
Fyysikot epäilevät "kierrettyjä" neutroneja
Ryhmä testasi järjestelmäänsä pienen kulman neutronisironta (SANS) -sädelinjalla High Flux Isotope Reactorissa Oak Ridge National Laboratoryssa Tennesseen osavaltiossa. Tutkijat sanovat, että SANS-järjestelmä tarjosi useita etuja, mukaan lukien kyky kartoittaa neutronisäde kaukokentässä - mikä tarkoitti, että holografista tekniikkaa voitiin käyttää kierrettyjen neutronien luomiseen. Myös sädelinjan instrumentointia voitaisiin mukauttaa mittaamaan neutronien kiertoradan kulmamomenttia.
Matriisin läpi kulkemisen jälkeen neutronisäde kulki 19 metrin matkan neutronikameraan. Kameran ottamissa kuvissa näkyy erottuva munkin muotoinen kuvio, joka on odotettavissa kierrettyjen neutronien säteestä, joka on tietyssä kiertoradan kulmamomenttitilassa. Donitsin muotoiset kuviot olivat halkaisijaltaan noin 10 cm.
Tiimi sanoo, että niiden kokoonpanolla voitaisiin tutkia aineen topologisia ominaisuuksia – ominaisuuksia, jotka voivat osoittautua hyödyllisiksi uusien kvanttitekniikoiden kehittämisessä. Sitä voitaisiin käyttää myös perustutkimuksissa siitä, kuinka kiertoradan kulmamomentti vaikuttaa neutronien vuorovaikutukseen aineen kanssa.
Tutkimusta kuvataan Tiede ennakot.
