קרן של נויטרונים "מעוותים" עם מומנטום זוויתי מסלולי מוגדר היטב (OAM) נוצרה על ידי חוקרים בקנדה ובארה"ב. זה נעשה על ידי העברת קרן נויטרונים מכור גרעיני דרך מערך מיוחד של רשתות עקיפה. הניסוי, המתואר כתצפית הראשונה בקרן נויטרונים עם OAM מוגדר היטב, הוא שיאה של מספר שנים של עבודה של כמה מחברי הצוות, שדיווחו לראשונה על תצפיות טנטטיביות של נויטרונים מעוותים ב-2015.
לפי מכניקת הקוונטים, חלקיקים תת-אטומיים כמו נויטרונים מתנהגים כמו גלים וגם כמו חלקיקים. דואליות גל-חלקיקים זו הולידה את השדה הרחב והפורה של פיזור נויטרונים, לפיו מבנים פנימיים של חומרים נבדקים באמצעות אלומות נויטרונים מכורים ומאיצים גרעיניים. בעוד שניסויים כאלה השתמשו זמן רב בתנע הזוויתי (ספין) הפנימי של הנייטרון, פיזיקאים גם להוטים ליצור ולזהות אלומות של נויטרונים מפותלים הנושאים OAM.
חוקרים כבר הצליחו ליצור קורות של אור מעוות ו אלקטרונים מעוותים שבו חזיתות הגל מסתובבות סביב כיוון ההתפשטות, ובכך נושאות OAM. לקורות אלה יש מגוון רחב של יישומים נוכחיים ופוטנציאליים, כולל לימוד מולקולות כיראליות והגברת הקיבולת של מערכות טלקום אופטיות.
אתגרים ניסיוניים
אולם עד כה, פיסיקאים נאבקו ליצור אלומות של נויטרונים מעוותים. בשנת 2015, דמיטרי פושין ועמיתים מאוניברסיטת ווטרלו, יחד עם פיזיקאים מהמכון הקוונטי המשותף במרילנד ואוניברסיטת בוסטון פרסמו מאמר ב טבע זֶה תיאר טכניקה ליצירת נויטרונים מעוותים על ידי העברת אלומת נויטרונים דרך לוחית פאזה ספירלית (SPP) - מכשיר ששימש ליצירת אור מעוות ואלקטרונים מעוותים.
הם עשו זאת על ידי פיצול קרן נויטרונים לשניים ושליחת קרן אחת דרך ה-SPP. לאחר מכן שולבו שני הקורות מחדש והחוקרים מדדו אפקט הפרעה הקשור לתנע הזוויתי של המסלול. עם זאת, בשנת 2018 צוות עצמאי של פיזיקאים חישובים שפורסמו שהראה כי אפקט ההפרעות שנמדד על ידי פושין ועמיתיו אינו קשור לתנע הזוויתי של המסלול.
פושין ועמיתיו לא נרתעו נקטו בגישה חדשה וכעת טוענים להצלחה. במקום להשתמש ב-SPP, החוקרים השתמשו בטכניקה הולוגרפית הכוללת מערך של מיליוני סורגים מיוחדים העשויים מסיליקון. לכל סורג יש "נקע של מזלג" לפיו אחד הקווים בסורג מתפצל לארבעה קווים, ויוצר מבנה דמוי מזלג (ראה איור).
שישה מיליון סורגים
כל סורג בגודל ריבוע של מיקרון אחד וכולל מבני סיליקון שגובהם 500 ננומטר ומופרדים בכ-120 ננומטר. המערך מכסה שטח של 0.5×0.5 ס"מ2 וכולל למעלה משישה מיליון סורגים בודדים.
פיזיקאים מטילים ספק בניוטרונים 'מעוותים'
הצוות בדק את המערכת שלהם על קו קרן פיזור נויטרונים בזווית קטנה (SANS) בכור האיזוטופים הגבוהים בשטף גבוה במעבדה הלאומית Oak Ridge בטנסי. החוקרים אומרים כי מערך ה-SANS הציע מספר יתרונות, כולל היכולת למפות את קרן הנייטרונים בשדה הרחוק - מה שאומר שניתן היה להשתמש בטכניקה הולוגרפית ליצירת הנייטרונים המעוותים. כמו כן, ניתן להתאים את המכשור על קו הקרן למדידת התנע הזוויתי המסלולי של נויטרונים.
לאחר שעברה דרך המערך, קרן הנייטרונים עברה מרחק של 19 מ' אל מצלמת נויטרונים. תמונות שצולמו על ידי המצלמה מציגות את התבנית הייחודית בצורת סופגניה שצפויה מקרן של נויטרונים מעוותים שנמצאת במצב ספציפי של תנע זוויתי מסלולי. הדוגמאות בצורת הסופגנייה היו בקוטר של כ-10 ס"מ.
הצוות אומר שניתן להשתמש במערך שלהם כדי לחקור את התכונות הטופולוגיות של החומר - תכונות שיכולות להוכיח שימוש בפיתוח טכנולוגיות קוונטיות חדשות. זה יכול לשמש גם במחקרים בסיסיים של האופן שבו התנע הזוויתי המסלולי משפיע על האופן שבו נויטרונים מתקשרים עם החומר.
המחקר מתואר ב התקדמות מדע.
