Un faisceau de neutrons « tordus » avec un moment angulaire orbital (OAM) bien défini a été créé par des chercheurs au Canada et aux États-Unis. Cela a été fait en faisant passer un faisceau de neutrons d'un réacteur nucléaire à travers un réseau spécial de réseaux de diffraction. Décrite comme la première observation d'un faisceau de neutrons avec un OAM bien défini, l'expérience est l'aboutissement de plusieurs années de travail par certains membres de l'équipe, qui ont signalé pour la première fois des observations provisoires de neutrons torsadés en 2015.
Selon la mécanique quantique, les particules subatomiques telles que les neutrons se comportent à la fois comme des ondes et comme des particules. Cette dualité onde-particule a donné naissance au domaine vaste et fructueux de la diffusion des neutrons, dans lequel les structures internes des matériaux sont sondées à l'aide de faisceaux de neutrons provenant de réacteurs et d'accélérateurs nucléaires. Alors que de telles expériences utilisent depuis longtemps le moment cinétique intrinsèque (spin) du neutron, les physiciens sont également désireux de créer et de détecter des faisceaux de neutrons torsadés qui transportent l'OAM.
Les chercheurs ont déjà pu créer des faisceaux de lumière tordue ainsi que électrons tordus dans lequel les fronts d'onde tournent autour de la direction de propagation, transportant ainsi l'OAM. Ces faisceaux ont un large éventail d'applications actuelles et potentielles, notamment l'étude des molécules chirales et l'augmentation de la capacité des systèmes de télécommunications optiques.
Défis expérimentaux
Jusqu'à présent, cependant, les physiciens ont eu du mal à créer des faisceaux de neutrons torsadés. En 2015, Dmitri Pouchine et des collègues de l'Université de Waterloo, ainsi que des physiciens du Joint Quantum Institute du Maryland et de l'Université de Boston ont publié un article dans Nature qui décrit une technique pour créer des neutrons torsadés en faisant passer un faisceau de neutrons à travers une plaque de phase en spirale (SPP) - un dispositif qui a été utilisé pour créer de la lumière torsadée et des électrons torsadés.
Ils l'ont fait en divisant un faisceau de neutrons en deux et en envoyant un faisceau à travers le SPP. Les deux faisceaux ont ensuite été recombinés et les chercheurs ont mesuré un effet d'interférence lié au moment cinétique orbital. Cependant, en 2018, une équipe indépendante de physiciens calculs publiés cela a montré que l'effet d'interférence mesuré par Pushin et ses collègues n'était pas lié au moment cinétique orbital.
Sans se laisser décourager, Pushin et ses collègues ont adopté une nouvelle approche et revendiquent maintenant le succès. Au lieu d'utiliser un SPP, les chercheurs ont utilisé une technique holographique qui implique un réseau de millions de réseaux spéciaux en silicium. Chaque réseau a une «dislocation en fourche» dans laquelle l'une des lignes du réseau se divise en quatre lignes, créant une structure en forme de fourche (voir figure).
Six millions de grilles
Chaque réseau mesure un micron carré et comprend des structures de silicium de 500 nm de haut et séparées d'environ 120 nn. Le tableau couvre une surface de 0.5 × 0.5 cm2 et comprend plus de six millions de grilles individuelles.
Les physiciens mettent en doute les neutrons « tordus »
L'équipe a testé son système sur une ligne de faisceau de diffusion de neutrons à petit angle (SANS) au réacteur isotopique à haut flux du laboratoire national d'Oak Ridge dans le Tennessee. Les chercheurs affirment que la configuration SANS offrait plusieurs avantages, notamment la possibilité de cartographier le faisceau de neutrons dans le champ lointain, ce qui signifiait qu'une technique holographique pouvait être utilisée pour créer les neutrons torsadés. De plus, l'instrumentation sur la ligne de lumière pourrait être adaptée pour mesurer le moment cinétique orbital des neutrons.
Après avoir traversé le réseau, le faisceau de neutrons a parcouru une distance de 19 m jusqu'à une caméra à neutrons. Les images prises par la caméra montrent le motif distinctif en forme de beignet attendu d'un faisceau de neutrons torsadés qui se trouve dans un état spécifique de moment cinétique orbital. Les motifs en forme de beignet mesuraient environ 10 cm de diamètre.
L'équipe affirme que leur configuration pourrait être utilisée pour étudier les propriétés topologiques de la matière - des propriétés qui pourraient s'avérer utiles dans le développement de nouvelles technologies quantiques. Il pourrait également être utilisé dans des études fondamentales sur la façon dont le moment cinétique orbital affecte la façon dont les neutrons interagissent avec la matière.
La recherche est décrite dans Science Advances.
