Jól meghatározott orbitális impulzusmomentum (OAM) „csavart” neutronnyalábot hoztak létre kanadai és amerikai kutatók. Ez úgy történt, hogy egy atomreaktorból származó neutronsugarat egy speciális diffrakciós rácson vezettek át. A jól meghatározott OAM-mal rendelkező neutronnyaláb első megfigyeléseként leírt kísérlet a csapat néhány tagja több éves munkájának csúcspontja, akik először 2015-ben számoltak be csavart neutronok kísérleti megfigyeléséről.
A kvantummechanika szerint a szubatomi részecskék, például a neutronok hullámként és részecskékként is viselkednek. Ez a hullám-részecske kettősség hozta létre a neutronszórás széles és gyümölcsöző mezőjét, amelynek során az anyagok belső szerkezetét nukleáris reaktorokból és gyorsítókból származó neutronsugarak segítségével vizsgálják. Míg az ilyen kísérletek már régóta a neutron belső szögimpulzusát (spin) használják, a fizikusok az OAM-ot hordozó csavart neutronnyalábok létrehozását és észlelését is szívesen végzik.
A kutatóknak már sikerült gerendákat létrehozniuk csavart fény és a csavart elektronok amelyben a hullámfrontok a terjedési irány körül forognak, és ezáltal OAM-ot hordoznak. Ezek a nyalábok számos jelenlegi és potenciális alkalmazással rendelkeznek, beleértve a királis molekulák tanulmányozását és az optikai távközlési rendszerek kapacitásának növelését.
Kísérleti kihívások
Eddig azonban a fizikusok küzdöttek azért, hogy csavart neutronnyalábokat hozzanak létre. 2015-ben Dmitrij Pushin és munkatársai a Waterloo Egyetemen, valamint a marylandi Joint Quantum Institute és a Bostoni Egyetem fizikusai publikáltak egy tanulmányt Természet hogy technikát írt le csavart neutronok létrehozására neutronsugarat egy spirálfázisú lemezen (SPP) keresztül vezetve – egy olyan eszközt, amelyet csavart fény és csavart elektronok létrehozására használtak.
Ezt úgy tették, hogy egy neutronnyalábot kettéosztottak, és az egyik sugarat átküldték az SPP-n. A két sugarat ezután újra kombinálták, és a kutatók a pálya szögimpulzusához kapcsolódó interferenciahatást mértek. 2018-ban azonban egy független fizikuscsoport közzétett számításai Ez azt mutatta, hogy a Pushin és munkatársai által mért interferenciahatás nem függ össze a pálya szögimpulzusával.
Pushin és munkatársai nem csüggedtek, és új megközelítést választottak, és most sikert hirdetnek. Az SPP használata helyett a kutatók holografikus technikát alkalmaztak, amely több millió szilíciumból készült speciális rácsból áll. Mindegyik rácsnak van egy „villás diszlokációja”, amikor is a rács egyik vonala négy vonalra hasad, villaszerű szerkezetet hozva létre (lásd az ábrát).
Hatmillió rács
Mindegyik rács egy mikronnégyzet méretű, és 500 nm magas szilícium szerkezetekből áll, amelyeket körülbelül 120 nn választ el egymástól. A tömb 0.5×0.5 cm-es területet fed le2 és több mint hatmillió egyedi rácsot tartalmaz.
A fizikusok kétségbe vonják a „csavart” neutronokat
A csapat a tennessee-i Oak Ridge National Laboratory nagy fluxusú izotópreaktorában egy kis szögű neutronszórásos (SANS) sugárvonalon tesztelte rendszerét. A kutatók azt mondják, hogy a SANS-beállítás számos előnnyel jár, beleértve a neutronnyaláb feltérképezését a távoli mezőben – ami azt jelentette, hogy holografikus technikát lehetett használni a csavart neutronok létrehozására. Ezenkívül a nyalábvonalon lévő műszerek adaptálhatók a neutronok keringési szögimpulzusának mérésére.
Miután áthaladt a tömbön, a neutronnyaláb 19 m távolságot tett meg egy neutronkamerához. A kamera által készített képek azt a jellegzetes fánk alakú mintát mutatják, amely egy meghatározott szögimpulzus-állapotban lévő csavart neutronnyalábtól várható. A fánk alakú minták körülbelül 10 cm átmérőjűek voltak.
A csapat azt állítja, hogy beállításukat fel lehetne használni az anyag topológiai tulajdonságainak tanulmányozására – olyan tulajdonságokra, amelyek hasznosnak bizonyulhatnak új kvantumtechnológiák fejlesztésében. Használható olyan alapvető vizsgálatokban is, amelyek azt vizsgálják, hogy a pálya szögimpulzusa hogyan befolyásolja a neutronok és az anyag közötti kölcsönhatást.
A kutatás leírása a Tudomány előlegek.
