En stråle av "vridd" nøytroner med et veldefinert orbital vinkelmoment (OAM) er laget av forskere i Canada og USA. Dette ble gjort ved å føre en nøytronstråle fra en atomreaktor gjennom en spesiell rekke diffraksjonsgitter. Beskrevet som den første observasjonen av en nøytronstråle med en veldefinert OAM, er eksperimentet kulminasjonen av flere års arbeid av noen av teammedlemmene, som først rapporterte tentative observasjoner av vridde nøytroner i 2015.
I følge kvantemekanikken oppfører subatomære partikler som nøytroner seg som både bølger og partikler. Denne bølge-partikkel-dualiteten har gitt opphav til det brede og fruktbare feltet for nøytronspredning, der de indre strukturene til materialer undersøkes ved hjelp av stråler av nøytroner fra atomreaktorer og akseleratorer. Mens slike eksperimenter lenge har brukt det indre vinkelmomentet (spinnet) til nøytronet, er fysikere også opptatt av å lage og oppdage stråler av vridde nøytroner som bærer OAM.
Forskere har allerede vært i stand til å lage bjelker av vridd lys og vridde elektroner der bølgefrontene roterer rundt forplantningsretningen, og bærer derved OAM. Disse strålene har et bredt spekter av nåværende og potensielle bruksområder, inkludert å studere kirale molekyler og øke kapasiteten til optiske telekommunikasjonssystemer.
Eksperimentelle utfordringer
Så langt har imidlertid fysikere slitt med å lage stråler av vridde nøytroner. I 2015, Dmitry Pushin og kolleger ved University of Waterloo, sammen med fysikere ved Joint Quantum Institute i Maryland og Boston University publiserte en artikkel i Natur Det beskrevet en teknikk for å lage vridde nøytroner ved å føre en stråle av nøytroner gjennom en spiralfaseplate (SPP) – en enhet som har blitt brukt til å lage vridd lys og vridde elektroner.
De gjorde dette ved å dele en nøytronstråle i to og sende en stråle gjennom SPP. De to strålene ble deretter rekombinert og forskerne målte en interferenseffekt relatert til banevinkelmomentum. Men i 2018 et uavhengig team av fysikere publiserte beregninger som viste at interferenseffekten målt av Pushin og kolleger ikke var relatert til banevinkelmomentum.
Uavskrekket har Pushin og kolleger tatt en ny tilnærming og hevder nå suksess. I stedet for å bruke en SPP, brukte forskerne en holografisk teknikk som involverer en rekke millioner av spesielle gitter laget av silisium. Hvert rist har en "gaffeldislokasjon" hvor en av linjene i ristene deler seg i fire linjer, og skaper en gaffellignende struktur (se figur).
Seks millioner rister
Hvert gitter måler en kvadratisk mikrometer og består av silisiumstrukturer som er 500 nm høye og atskilt med ca. 120 nn. Matrisen dekker et område på 0.5×0.5 cm2 og inkluderer over seks millioner individuelle rister.
Fysikere sår tvil om 'vridd' nøytroner
Teamet testet systemet sitt på en liten vinkel nøytronspredning (SANS) strålelinje ved High Flux Isotope Reactor ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee. Forskerne sier at SANS-oppsettet ga flere fordeler, inkludert muligheten til å kartlegge nøytronstrålen i det fjerne feltet – noe som betydde at en holografisk teknikk kunne brukes til å lage de vridde nøytronene. Instrumenteringen på strålelinjen kan også tilpasses for å måle orbital vinkelmomentum til nøytroner.
Etter å ha passert gjennom arrayet, reiste nøytronstrålen en avstand på 19 m til et nøytronkamera. Bilder tatt av kameraet viser det karakteristiske smultringformede mønsteret som forventes fra en stråle av vridde nøytroner som er i en bestemt tilstand av banevinkelmomentum. De smultringformede mønstrene var ca 10 cm i diameter.
Teamet sier at oppsettet deres kan brukes til å studere de topologiske egenskapene til materie - egenskaper som kan vise seg å være nyttige for å utvikle nye kvanteteknologier. Det kan også brukes i grunnleggende studier av hvordan banevinkelmomentum påvirker hvordan nøytroner samhandler med materie.
Forskningen er beskrevet i Vitenskap Fremskritt.
