Um feixe de nêutrons “torcidos” com momento angular orbital (OAM) bem definido foi criado por pesquisadores no Canadá e nos Estados Unidos. Isso foi feito passando um feixe de nêutrons de um reator nuclear por um conjunto especial de grades de difração. Descrito como a primeira observação de um feixe de nêutrons com um OAM bem definido, o experimento é o culminar de vários anos de trabalho de alguns dos membros da equipe, que relataram pela primeira vez observações experimentais de nêutrons torcidos em 2015.
De acordo com a mecânica quântica, as partículas subatômicas, como os nêutrons, se comportam tanto como ondas quanto como partículas. Essa dualidade onda-partícula deu origem ao amplo e frutífero campo de espalhamento de nêutrons, pelo qual as estruturas interiores dos materiais são sondadas usando feixes de nêutrons de reatores e aceleradores nucleares. Embora tais experimentos usem há muito tempo o momento angular intrínseco (spin) do nêutron, os físicos também estão interessados em criar e detectar feixes de nêutrons torcidos que carregam OAM.
Pesquisadores já conseguiram criar feixes de luz torcida e elétrons torcidos em que as frentes de onda giram em torno da direção de propagação, transportando assim OAM. Esses feixes têm uma ampla gama de aplicações atuais e potenciais, incluindo o estudo de moléculas quirais e o aumento da capacidade dos sistemas ópticos de telecomunicações.
desafios experimentais
Até agora, no entanto, os físicos têm lutado para criar feixes de nêutrons retorcidos. Em 2015, Dmitry Pushin e colegas da Universidade de Waterloo, juntamente com físicos do Joint Quantum Institute em Maryland e da Universidade de Boston publicaram um artigo em Natureza que descreveu uma técnica para criar nêutrons torcidos passando um feixe de nêutrons através de uma placa de fase espiral (SPP) - um dispositivo que tem sido usado para criar luz torcida e elétrons torcidos.
Eles fizeram isso dividindo um feixe de nêutrons em dois e enviando um feixe através do SPP. Os dois feixes foram então recombinados e os pesquisadores mediram um efeito de interferência relacionado ao momento angular orbital. No entanto, em 2018, uma equipe independente de físicos cálculos publicados que mostrou que o efeito de interferência medido por Pushin e colegas não estava relacionado ao momento angular orbital.
Implacáveis, Pushin e seus colegas adotaram uma nova abordagem e agora afirmam ter sucesso. Em vez de usar um SPP, os pesquisadores usaram uma técnica holográfica que envolve uma série de milhões de grades especiais feitas de silício. Cada grade tem um “deslocamento de forquilha” em que uma das linhas na grade se divide em quatro linhas, criando uma estrutura semelhante a uma forquilha (veja a figura).
Seis milhões de grades
Cada grade mede um mícron quadrado e compreende estruturas de silício com 500 nm de altura e separadas por cerca de 120 nn. A matriz cobre uma área de 0.5 × 0.5 cm2 e inclui mais de seis milhões de grades individuais.
Físicos lançam dúvidas sobre nêutrons 'torcidos'
A equipe testou seu sistema em uma linha de luz de espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo (SANS) no reator de isótopos de alto fluxo no Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee. Os pesquisadores dizem que a configuração do SANS oferece várias vantagens, incluindo a capacidade de mapear o feixe de nêutrons no campo distante – o que significa que uma técnica holográfica pode ser usada para criar os nêutrons torcidos. Além disso, a instrumentação na linha de luz pode ser adaptada para medir o momento angular orbital dos nêutrons.
Depois de passar pela matriz, o feixe de nêutrons percorreu uma distância de 19 m até uma câmera de nêutrons. As imagens tiradas pela câmera mostram o padrão distinto em forma de rosquinha que é esperado de um feixe de nêutrons torcidos que está em um estado específico de momento angular orbital. Os padrões em forma de rosquinha tinham cerca de 10 cm de diâmetro.
A equipe diz que sua configuração pode ser usada para estudar as propriedades topológicas da matéria – propriedades que podem ser úteis no desenvolvimento de novas tecnologias quânticas. Também poderia ser usado em estudos fundamentais de como o momento angular orbital afeta como os nêutrons interagem com a matéria.
A pesquisa é descrita em Os avanços da ciência.
