Een bundel "gedraaide" neutronen met een goed gedefinieerd orbitaal impulsmoment (OAM) is gemaakt door onderzoekers in Canada en de VS. Dit werd gedaan door een neutronenbundel van een kernreactor door een speciale reeks diffractieroosters te laten gaan. Beschreven als de eerste waarneming van een neutronenbundel met een goed gedefinieerde OAM, is het experiment het resultaat van jarenlang werk door enkele teamleden, die in 2015 voor het eerst voorlopige waarnemingen van verdraaide neutronen rapporteerden.
Volgens de kwantummechanica gedragen subatomaire deeltjes zoals neutronen zich als zowel golven als deeltjes. Deze dualiteit tussen golven en deeltjes heeft geleid tot het brede en vruchtbare veld van neutronenverstrooiing, waarbij de interne structuren van materialen worden onderzocht met behulp van neutronenbundels van kernreactoren en versnellers. Terwijl dergelijke experimenten lang het intrinsieke impulsmoment (spin) van het neutron hebben gebruikt, zijn natuurkundigen ook enthousiast over het creëren en detecteren van bundels van gedraaide neutronen die OAM dragen.
Onderzoekers zijn er al in geslaagd om balken van te maken gedraaid licht en gedraaide elektronen waarin de golffronten rond de voortplantingsrichting roteren, waardoor ze OAM dragen. Deze bundels hebben een breed scala aan huidige en potentiële toepassingen, waaronder het bestuderen van chirale moleculen en het vergroten van de capaciteit van optische telecomsystemen.
Experimentele uitdagingen
Tot nu toe hebben natuurkundigen echter moeite gehad om bundels van gedraaide neutronen te creëren. 2015, Dmitri Poesjin en collega's van de Universiteit van Waterloo, samen met natuurkundigen van het Joint Quantum Institute in Maryland en Boston University publiceerden een paper in NATUUR dat een techniek beschreven voor het creëren van gedraaide neutronen door een bundel neutronen door een spiraalvormige faseplaat (SPP) te laten gaan - een apparaat dat is gebruikt om gedraaid licht en gedraaide elektronen te creëren.
Ze deden dit door een neutronenbundel in tweeën te splitsen en één bundel door de SPP te sturen. De twee bundels werden vervolgens opnieuw gecombineerd en de onderzoekers maten een interferentie-effect gerelateerd aan orbitaal impulsmoment. In 2018 echter een onafhankelijk team van natuurkundigen gepubliceerde berekeningen waaruit bleek dat het door Pushin en collega's gemeten interferentie-effect niet gerelateerd was aan orbitaal impulsmoment.
Onverschrokken hebben Pushin en collega's een nieuwe aanpak gekozen en claimen nu succes. In plaats van een SPP te gebruiken, gebruikten de onderzoekers een holografische techniek met een reeks van miljoenen speciale roosters gemaakt van silicium. Elk tralie heeft een “vork dislocatie” waarbij een van de lijnen in het tralie zich splitst in vier lijnen, waardoor een vorkachtige structuur ontstaat (zie figuur).
Zes miljoen roosters
Elk rooster meet een vierkante micron en omvat siliciumstructuren die 500 nm hoog zijn en ongeveer 120 nn van elkaar verwijderd zijn. De array heeft een oppervlakte van 0.5 x 0.5 cm2 en omvat meer dan zes miljoen individuele roosters.
Natuurkundigen twijfelen aan 'verdraaide' neutronen
Het team testte hun systeem op een kleine hoek neutronenverstrooiing (SANS) bundellijn bij de High Flux Isotopen Reactor in het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. De onderzoekers zeggen dat de SANS-opstelling verschillende voordelen bood, waaronder de mogelijkheid om de neutronenbundel in het verre veld in kaart te brengen - wat betekende dat een holografische techniek kon worden gebruikt om de gedraaide neutronen te creëren. Ook zou de instrumentatie op de bundellijn kunnen worden aangepast om het orbitale impulsmoment van neutronen te meten.
Nadat de neutronenbundel door de array was gegaan, legde hij een afstand van 19 m af naar een neutronencamera. Afbeeldingen die met de camera zijn gemaakt, tonen het kenmerkende donutvormige patroon dat wordt verwacht van een bundel gedraaide neutronen die zich in een specifieke staat van baanimpulsmoment bevindt. De donutvormige patronen hadden een diameter van ongeveer 10 cm.
Het team zegt dat hun opstelling kan worden gebruikt om de topologische eigenschappen van materie te bestuderen - eigenschappen die nuttig kunnen zijn bij het ontwikkelen van nieuwe kwantumtechnologieën. Het zou ook kunnen worden gebruikt in fundamentele studies over hoe orbitaal impulsmoment de interactie tussen neutronen en materie beïnvloedt.
Het onderzoek is beschreven in Wetenschap Advances.
