Wiązka „skręconych” neutronów o dobrze zdefiniowanym orbitalnym momencie pędu (OAM) została stworzona przez naukowców z Kanady i USA. Dokonano tego, przepuszczając wiązkę neutronów z reaktora jądrowego przez specjalny układ siatek dyfrakcyjnych. Opisany jako pierwsza obserwacja wiązki neutronów z dobrze zdefiniowanym OAM, eksperyment jest zwieńczeniem kilku lat pracy niektórych członków zespołu, którzy po raz pierwszy zgłosili wstępne obserwacje skręconych neutronów w 2015 roku.
Zgodnie z mechaniką kwantową cząstki subatomowe, takie jak neutrony, zachowują się zarówno jak fale, jak i cząstki. Ta dualność falowo-cząsteczkowa doprowadziła do powstania szerokiego i owocnego pola rozpraszania neutronów, w którym wewnętrzne struktury materiałów są badane za pomocą wiązek neutronów z reaktorów jądrowych i akceleratorów. Podczas gdy takie eksperymenty od dawna wykorzystywały wewnętrzny moment pędu (spin) neutronu, fizycy są również zainteresowani tworzeniem i wykrywaniem wiązek skręconych neutronów, które przenoszą OAM.
Naukowcom udało się już stworzyć wiązki skręcone światło i skręcone elektrony w którym czoła fal obracają się wokół kierunku propagacji, przenosząc w ten sposób OAM. Wiązki te mają szeroki zakres aktualnych i potencjalnych zastosowań, w tym badanie cząsteczek chiralnych i zwiększanie wydajności optycznych systemów telekomunikacyjnych.
Eksperymentalne wyzwania
Jak dotąd jednak fizycy starali się stworzyć wiązki skręconych neutronów. w 2015 r. Dmitrij Pushin i współpracownicy z University of Waterloo wraz z fizykami z Joint Quantum Institute w Maryland i Boston University opublikowali artykuł w Natura że opisał technikę do tworzenia skręconych neutronów poprzez przepuszczanie wiązki neutronów przez spiralną płytkę fazową (SPP) – urządzenie, które było używane do tworzenia skręconego światła i skręconych elektronów.
Zrobili to, dzieląc wiązkę neutronów na dwie i wysyłając jedną wiązkę przez SPP. Dwie wiązki zostały następnie ponownie połączone, a naukowcy zmierzyli efekt interferencji związany z orbitalnym momentem pędu. Jednak w 2018 roku niezależny zespół fizyków opublikowane obliczenia które pokazały, że efekt interferencji zmierzony przez Pushina i współpracowników nie był związany z orbitalnym momentem pędu.
Niezrażony Pushin i współpracownicy przyjęli nowe podejście i teraz ogłaszają sukces. Zamiast używać SPP, naukowcy zastosowali technikę holograficzną, która obejmuje szereg milionów specjalnych siatek wykonanych z krzemu. Każda siatka ma „dyslokację widełkową”, w wyniku której jedna z linii w kratce dzieli się na cztery linie, tworząc strukturę przypominającą widełki (patrz rysunek).
Sześć milionów krat
Każda siatka ma rozmiar jednego mikrona kwadratowego i zawiera struktury krzemowe o wysokości 500 nm i oddalone od siebie o około 120 nn. Tablica zajmuje powierzchnię 0.5 × 0.5 cm2 i obejmuje ponad sześć milionów pojedynczych krat.
Fizycy podają w wątpliwość „skręcone” neutrony
Zespół przetestował swój system na linii wiązki rozpraszania neutronów pod małym kątem (SANS) w reaktorze izotopowym o dużym strumieniu w Oak Ridge National Laboratory w Tennessee. Naukowcy twierdzą, że konfiguracja SANS oferowała kilka korzyści, w tym możliwość mapowania wiązki neutronów w dalekim polu – co oznaczało, że do wytworzenia skręconych neutronów można było zastosować technikę holograficzną. Ponadto oprzyrządowanie na linii badawczej można dostosować do pomiaru orbitalnego momentu pędu neutronów.
Po przejściu przez układ wiązka neutronów przebyła odległość 19 m do kamery neutronowej. Zdjęcia zrobione przez kamerę pokazują charakterystyczny wzór w kształcie pączka, którego oczekuje się od wiązki skręconych neutronów, która znajduje się w określonym stanie orbitalnego momentu pędu. Wzory w kształcie pączków miały około 10 cm średnicy.
Zespół twierdzi, że ich układ można wykorzystać do badania topologicznych właściwości materii – właściwości, które mogą okazać się przydatne w opracowywaniu nowych technologii kwantowych. Można go również wykorzystać w fundamentalnych badaniach wpływu orbitalnego momentu pędu na interakcję neutronów z materią.
Badania opisano w Postępy nauki.
