明確に定義された軌道角運動量 (OAM) を持つ「ねじれた」中性子ビームが、カナダと米国の研究者によって作成されました。 これは、原子炉からの中性子ビームを特別な回折格子の配列に通すことによって行われました。 明確に定義された OAM を持つ中性子ビームの最初の観測として説明されているこの実験は、2015 年にねじれた中性子の暫定的な観測を最初に報告したチーム メンバーの何人かによる数年間の作業の集大成です。
量子力学によれば、中性子などの素粒子は波と粒子の両方のように振る舞います。 この波動と粒子の二重性により、中性子散乱の広く実りある分野が生まれました。これにより、原子炉や加速器からの中性子ビームを使用して材料の内部構造が調べられます。 このような実験では長い間中性子の固有の角運動量 (スピン) が使用されてきましたが、物理学者は、OAM を運ぶねじれた中性子のビームの作成と検出にも熱心です。
研究者はすでにビームを作成することができました ねじれた光 & ねじれた電子 波面は伝播方向を中心に回転し、それによって OAM を伝送します。 これらのビームには、キラル分子の研究や光通信システムの能力向上など、幅広い現在および潜在的な用途があります。
実験的課題
しかし、これまでのところ、物理学者はねじれた中性子ビームの作成に苦労してきました。 2015年、 ドミトリー・プーシン とウォータールー大学の同僚、メリーランド州の共同量子研究所の物理学者、およびボストン大学の物理学者が論文を発表しました 自然 それ テクニックを説明した 中性子ビームをスパイラル位相板 (SPP) - ねじれた光とねじれた電子を生成するために使用されているデバイスに通過させることにより、ねじれた中性子を生成します。
彼らは、中性子ビームを 2018 つに分割し、XNUMX つのビームを SPP に通すことによってこれを行いました。 その後、XNUMX つのビームが再結合され、研究者は軌道角運動量に関連する干渉効果を測定しました。 しかし、XNUMX 年に独立した物理学者チームが 公表された計算 これは、プシンと同僚によって測定された干渉効果が軌道角運動量とは関係がないことを示しました。
思いがけず、Pushin とその同僚は新しいアプローチを採用し、現在では成功を収めていると主張しています。 SPP を使用する代わりに、研究者は、シリコンで作られた何百万もの特別な格子の配列を含むホログラフィック技術を使用しました。 各グレーティングには「フォーク転位」があり、グレーティングの線の XNUMX つが XNUMX つの線に分割され、フォークのような構造が作成されます (図を参照)。
XNUMX万個の格子
各グレーティングは 500 ミクロン四方で、高さ 120 nm、間隔約 0.5 ナノメートルのシリコン構造で構成されています。 アレイは0.5×XNUMXcmの領域をカバーします2 XNUMX 万を超える個々のグレーティングが含まれています。
物理学者は「ねじれた」中性子に疑問を投げかける
チームは、テネシー州オークリッジ国立研究所の高フラックス同位体原子炉で、小角中性子散乱 (SANS) ビームラインでシステムをテストしました。 研究者らは、SANS のセットアップには、中性子ビームを遠方界にマッピングする機能など、いくつかの利点があると述べています。これは、ホログラフィック技術を使用してねじれた中性子を作成できることを意味します。 また、ビームラインの計測器は、中性子の軌道角運動量を測定するように適合させることができます。
アレイを通過した後、中性子ビームは 19 m の距離を移動して中性子カメラに到達しました。 カメラで撮影された画像は、軌道角運動量の特定の状態にあるねじれた中性子のビームから予想される独特のドーナツ型のパターンを示しています。 ドーナツ型の模様は直径約10cm。
チームは、彼らのセットアップを使用して、物質のトポロジカル特性を研究できる可能性があると述べています。これは、新しい量子技術の開発に役立つ可能性がある特性です。 また、軌道角運動量が中性子と物質との相互作用にどのように影響するかについての基礎研究にも使用できます。
研究はで説明されています 科学の進歩.
