Un raggio di neutroni "contorti" con un momento angolare orbitale (OAM) ben definito è stato creato da ricercatori in Canada e negli Stati Uniti. Ciò è stato fatto facendo passare un raggio di neutroni da un reattore nucleare attraverso una speciale serie di reticoli di diffrazione. Descritto come la prima osservazione di un fascio di neutroni con un OAM ben definito, l'esperimento è il culmine di diversi anni di lavoro da parte di alcuni membri del team, che per primi hanno riportato osservazioni provvisorie di neutroni contorti nel 2015.
Secondo la meccanica quantistica, le particelle subatomiche come i neutroni si comportano sia come onde che come particelle. Questa dualità onda-particella ha dato origine all'ampio e fruttuoso campo dello scattering di neutroni, per cui le strutture interne dei materiali vengono sondate utilizzando fasci di neutroni provenienti da reattori nucleari e acceleratori. Sebbene tali esperimenti abbiano utilizzato a lungo il momento angolare intrinseco (spin) del neutrone, i fisici sono anche entusiasti di creare e rilevare fasci di neutroni contorti che trasportano OAM.
I ricercatori sono già stati in grado di creare fasci di luce contorta ed elettroni contorti in cui i fronti d'onda ruotano attorno alla direzione di propagazione, portando così OAM. Questi fasci hanno un'ampia gamma di applicazioni attuali e potenziali, tra cui lo studio delle molecole chirali e l'aumento della capacità dei sistemi ottici di telecomunicazione.
Sfide sperimentali
Finora, tuttavia, i fisici hanno faticato a creare fasci di neutroni contorti. Nel 2015, Dmitrij Pushin e colleghi dell'Università di Waterloo, insieme ai fisici del Joint Quantum Institute nel Maryland e della Boston University, hanno pubblicato un articolo su Natura che descritto una tecnica per creare neutroni contorti facendo passare un raggio di neutroni attraverso una piastra di fase a spirale (SPP), un dispositivo che è stato utilizzato per creare luce contorta ed elettroni contorti.
Lo hanno fatto dividendo in due un raggio di neutroni e inviando un raggio attraverso l'SPP. I due fasci sono stati quindi ricombinati ei ricercatori hanno misurato un effetto di interferenza correlato al momento angolare orbitale. Tuttavia, nel 2018 un team indipendente di fisici calcoli pubblicati ciò ha mostrato che l'effetto di interferenza misurato da Pushin e colleghi non era correlato al momento angolare orbitale.
Imperterriti, Pushin e colleghi hanno adottato un nuovo approccio e ora rivendicano il successo. Invece di utilizzare un SPP, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica olografica che coinvolge una serie di milioni di reticoli speciali realizzati in silicio. Ciascun reticolo ha una "dislocazione a forcella" per cui una delle linee nel reticolo si divide in quattro linee, creando una struttura a forcella (vedi figura).
Sei milioni di grate
Ciascun reticolo misura un micron quadrato e comprende strutture di silicio alte 500 nm e separate da circa 120 nn. La matrice copre un'area di 0.5×0.5 cm2 e comprende oltre sei milioni di singole griglie.
I fisici mettono in dubbio i neutroni "contorti".
Il team ha testato il proprio sistema su una linea di luce SANS (small angle neutron scattering) presso l'High Flux Isotope Reactor dell'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee. I ricercatori affermano che la configurazione SANS offriva diversi vantaggi, inclusa la capacità di mappare il raggio di neutroni nel campo lontano, il che significava che una tecnica olografica poteva essere utilizzata per creare i neutroni contorti. Inoltre, la strumentazione sulla linea di luce potrebbe essere adattata per misurare il momento angolare orbitale dei neutroni.
Dopo aver attraversato l'array, il raggio di neutroni ha percorso una distanza di 19 m fino a una telecamera a neutroni. Le immagini scattate dalla telecamera mostrano il caratteristico schema a forma di ciambella che ci si aspetta da un raggio di neutroni contorti che si trova in uno specifico stato di momento angolare orbitale. I motivi a forma di ciambella avevano un diametro di circa 10 cm.
Il team afferma che la loro configurazione potrebbe essere utilizzata per studiare le proprietà topologiche della materia, proprietà che potrebbero rivelarsi utili nello sviluppo di nuove tecnologie quantistiche. Potrebbe anche essere utilizzato in studi fondamentali su come il momento angolare orbitale influenzi il modo in cui i neutroni interagiscono con la materia.
La ricerca è descritta in Anticipi Scienza.
