잘 정의된 궤도각운동량(OAM)을 가진 "꼬인" 중성자 빔이 캐나다와 미국의 연구원들에 의해 만들어졌습니다. 이것은 회절 격자의 특별한 배열을 통해 원자로에서 나온 중성자 빔을 통과시킴으로써 이루어졌습니다. 잘 정의된 OAM이 있는 중성자 빔의 첫 번째 관측으로 설명되는 이 실험은 2015년에 꼬인 중성자에 대한 잠정적 관측을 처음 보고한 일부 팀원의 수년간의 작업의 정점입니다.
양자 역학에 따르면 중성자와 같은 아원자 입자는 파동과 입자처럼 행동합니다. 이 파동-입자 이중성은 원자로 및 가속기에서 나오는 중성자 빔을 사용하여 물질의 내부 구조를 조사하는 광범위하고 유익한 중성자 산란 분야를 일으켰습니다. 그러한 실험은 오랫동안 중성자의 고유한 각운동량(스핀)을 사용해 왔지만, 물리학자들은 또한 OAM을 운반하는 뒤틀린 중성자의 빔을 생성하고 감지하는 데 열심입니다.
연구원들은 이미 광선을 만들 수 있었습니다. 꼬인 빛 와 꼬인 전자 파면이 전파 방향에 대해 회전하여 OAM을 전달합니다. 이 빔은 키랄 분자 연구 및 광학 통신 시스템의 용량 향상을 포함하여 광범위한 현재 및 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다.
실험적 도전
그러나 지금까지 물리학자들은 뒤틀린 중성자 빔을 생성하는 데 어려움을 겪었습니다. 2015년, 드미트리 푸신 워털루 대학의 동료들과 메릴랜드의 공동 양자 연구소 및 보스턴 대학의 물리학자들은 다음과 같은 논문을 발표했습니다. 자연 그 기술을 설명했다 꼬인 빛과 꼬인 전자를 생성하는 데 사용되는 장치인 나선형 위상판(SPP)을 통해 중성자 빔을 통과시켜 꼬인 중성자를 생성합니다.
그들은 중성자 빔을 둘로 분할하고 하나의 빔을 SPP를 통해 전송함으로써 이를 수행했습니다. 그런 다음 두 개의 빔을 재결합하고 연구원들은 궤도 각 운동량과 관련된 간섭 효과를 측정했습니다. 그러나 2018년 독립적인 물리학자 팀이 게시된 계산 이는 Pushin과 동료들이 측정한 간섭 효과가 궤도 각 운동량과 관련이 없음을 보여주었습니다.
단념하지 않고 푸신과 동료들은 새로운 접근 방식을 취했고 이제 성공을 주장하고 있습니다. SPP를 사용하는 대신 연구원들은 실리콘으로 만든 수백만 개의 특수 격자 배열을 포함하는 홀로그램 기술을 사용했습니다. 각 격자에는 격자의 선 중 하나가 XNUMX개의 선으로 분할되어 포크와 같은 구조를 생성하는 "포크 전위"가 있습니다(그림 참조).
XNUMX만 격자
각 격자는 500마이크론 스퀘어로 측정되며 높이가 120nm이고 약 0.5nn로 분리된 실리콘 구조로 구성됩니다. 어레이는 0.5×XNUMXcm의 영역을 커버합니다.2 XNUMX만 개 이상의 개별 격자를 포함합니다.
물리학자들은 '뒤틀린' 중성자에 의문을 던진다
팀은 테네시주 Oak Ridge National Laboratory의 High Flux Isotope Reactor에서 SANS(Small Angle neutron Scattering) 빔라인에서 시스템을 테스트했습니다. 연구원들은 SANS 설정이 원거리에서 중성자 빔을 매핑하는 기능을 포함하여 몇 가지 이점을 제공했다고 말합니다. 이는 홀로그램 기술을 사용하여 꼬인 중성자를 생성할 수 있음을 의미했습니다. 또한 빔라인의 장비는 중성자의 궤도 각 운동량을 측정하도록 조정될 수 있습니다.
어레이를 통과한 후 중성자 빔은 중성자 카메라까지 19m의 거리를 이동했습니다. 카메라로 촬영한 이미지는 궤도 각 운동량의 특정 상태에 있는 꼬인 중성자 빔에서 예상되는 독특한 도넛 모양의 패턴을 보여줍니다. 도넛 모양의 패턴은 직경이 약 10cm였습니다.
연구팀은 그들의 설정이 새로운 양자 기술을 개발하는 데 유용할 수 있는 속성인 물질의 위상학적 속성을 연구하는 데 사용될 수 있다고 말합니다. 또한 궤도 각 운동량이 중성자와 물질의 상호 작용에 미치는 영향에 대한 기초 연구에도 사용할 수 있습니다.
연구는 다음에 설명되어 있습니다. 과학의 발전.
