Seberkas neutron "bengkok" dengan momentum sudut orbit (OAM) yang terdefinisi dengan baik telah dibuat oleh para peneliti di Kanada dan AS. Ini dilakukan dengan melewatkan berkas neutron dari reaktor nuklir melalui susunan kisi-kisi difraksi khusus. Digambarkan sebagai pengamatan pertama dari berkas neutron dengan OAM yang terdefinisi dengan baik, eksperimen tersebut merupakan puncak dari kerja beberapa tahun oleh beberapa anggota tim, yang pertama kali melaporkan pengamatan tentatif terhadap neutron bengkok pada tahun 2015.
Menurut mekanika kuantum, partikel subatomik seperti neutron berperilaku seperti gelombang dan partikel. Dualitas gelombang-partikel ini telah memunculkan bidang hamburan neutron yang luas dan bermanfaat, di mana struktur interior material diperiksa menggunakan berkas neutron dari reaktor nuklir dan akselerator. Sementara eksperimen semacam itu telah lama menggunakan momentum sudut intrinsik (putaran) neutron, fisikawan juga tertarik untuk membuat dan mendeteksi berkas neutron bengkok yang membawa OAM.
Para peneliti sudah bisa membuat balok cahaya bengkok dan elektron bengkok di mana muka gelombang berputar ke arah propagasi, sehingga membawa OAM. Sinar ini memiliki berbagai aplikasi saat ini dan potensial termasuk mempelajari molekul kiral dan meningkatkan kapasitas sistem telekomunikasi optik.
Tantangan eksperimental
Namun, sejauh ini, fisikawan telah berjuang untuk membuat berkas neutron yang terpelintir. Pada tahun 2015, Dmitry Pushin dan rekan-rekannya di University of Waterloo, bersama dengan fisikawan di Joint Quantum Institute di Maryland dan Boston University menerbitkan makalah di Alam bahwa menggambarkan suatu teknik untuk membuat neutron bengkok dengan melewatkan seberkas neutron melalui pelat fase spiral (SPP) – perangkat yang telah digunakan untuk membuat cahaya bengkok dan elektron bengkok.
Mereka melakukannya dengan membelah sinar neutron menjadi dua dan mengirimkan satu sinar melalui SPP. Kedua sinar tersebut kemudian digabungkan kembali dan para peneliti mengukur efek interferensi yang berkaitan dengan momentum sudut orbit. Namun, pada 2018 tim fisikawan independen perhitungan yang diterbitkan yang menunjukkan bahwa efek interferensi yang diukur oleh Pushin dan rekannya tidak terkait dengan momentum sudut orbit.
Tidak terpengaruh, Pushin dan rekannya telah mengambil pendekatan baru dan kini mengklaim sukses. Alih-alih menggunakan SPP, para peneliti menggunakan teknik holografik yang melibatkan jutaan kisi-kisi khusus yang terbuat dari silikon. Setiap kisi memiliki "dislokasi garpu" di mana salah satu garis di kisi terbagi menjadi empat baris, menciptakan struktur seperti garpu (lihat gambar).
Enam juta kisi
Setiap kisi berukuran satu mikron persegi dan terdiri dari struktur silikon setinggi 500 nm dan dipisahkan sekitar 120 nn. Array mencakup area seluas 0.5 × 0.5 cm2 dan mencakup lebih dari enam juta kisi individu.
Fisikawan meragukan neutron 'bengkok'
Tim menguji sistem mereka pada sinar hamburan neutron sudut kecil (SANS) di Reaktor Isotop Fluks Tinggi di Laboratorium Nasional Oak Ridge di Tennessee. Para peneliti mengatakan bahwa pengaturan SANS menawarkan beberapa keuntungan, termasuk kemampuan untuk memetakan berkas neutron di medan jauh – yang berarti bahwa teknik holografik dapat digunakan untuk membuat neutron bengkok. Juga, instrumentasi pada beamline dapat diadaptasi untuk mengukur momentum sudut orbital neutron.
Setelah melewati larik, berkas neutron menempuh jarak 19 m ke kamera neutron. Gambar yang diambil oleh kamera menunjukkan pola khas berbentuk donat yang diharapkan dari seberkas neutron terpilin yang berada dalam keadaan momentum sudut orbit tertentu. Pola berbentuk donat berdiameter sekitar 10 cm.
Tim mengatakan bahwa pengaturan mereka dapat digunakan untuk mempelajari sifat topologi materi – sifat yang terbukti berguna dalam mengembangkan teknologi kuantum baru. Itu juga dapat digunakan dalam studi dasar tentang bagaimana momentum sudut orbital mempengaruhi bagaimana neutron berinteraksi dengan materi.
Penelitian tersebut dijelaskan dalam Kemajuan ilmu pengetahuan.
