Пучок «скрученных» нейтронов с четко определенным орбитальным угловым моментом (ОУМ) был создан исследователями из Канады и США. Это было сделано путем пропускания пучка нейтронов из ядерного реактора через специальную матрицу дифракционных решеток. Эксперимент, описанный как первое наблюдение нейтронного пучка с четко определенным OAM, является кульминацией нескольких лет работы некоторых членов команды, которые впервые сообщили о предварительных наблюдениях закрученных нейтронов в 2015 году.
Согласно квантовой механике, субатомные частицы, такие как нейтроны, ведут себя как волны и как частицы. Этот дуализм волна-частица породил широкую и плодотворную область рассеяния нейтронов, посредством чего внутренние структуры материалов исследуются с использованием пучков нейтронов от ядерных реакторов и ускорителей. Хотя в таких экспериментах уже давно используется собственный угловой момент (спин) нейтрона, физики также заинтересованы в создании и обнаружении пучков закрученных нейтронов, несущих ОУМ.
Исследователям уже удалось создать лучи искривленный свет и скрученные электроны в котором волновые фронты вращаются вокруг направления распространения, тем самым перенося ОУМ. Эти лучи имеют широкий спектр текущих и потенциальных применений, включая изучение хиральных молекул и повышение пропускной способности оптических телекоммуникационных систем.
Экспериментальные задачи
Однако до сих пор физики изо всех сил пытались создать пучки закрученных нейтронов. В 2015 году Дмитрий Пушин и коллеги из Университета Ватерлоо вместе с физиками из Объединенного квантового института в Мэриленде и Бостонского университета опубликовали статью в природа который описал технику для создания закрученных нейтронов путем пропускания пучка нейтронов через спиральную фазовую пластину (СФП) — устройство, которое использовалось для создания закрученного света и закрученных электронов.
Они сделали это, разделив пучок нейтронов на два и пропустив один пучок через SPP. Затем два луча были объединены, и исследователи измерили эффект интерференции, связанный с орбитальным угловым моментом. Однако в 2018 году независимая группа физиков опубликованные расчеты это показало, что эффект интерференции, измеренный Пушиным и его коллегами, не был связан с орбитальным угловым моментом.
Не испугавшись, Пушин и его коллеги избрали новый подход и теперь заявляют об успехе. Вместо использования SPP исследователи использовали голографическую технику, которая включает в себя массив из миллионов специальных решеток, сделанных из кремния. Каждая решетка имеет «вилочную дислокацию», при которой одна из линий в решетке разделяется на четыре линии, создавая вилкообразную структуру (см. рисунок).
Шесть миллионов решеток
Каждая решетка имеет площадь в один микрон и состоит из кремниевых структур высотой 500 нм, разделенных расстоянием около 120 нм. Массив занимает площадь 0.5×0.5 см.2 и включает в себя более шести миллионов отдельных решеток.
Физики ставят под сомнение «скрученные» нейтроны
Команда протестировала свою систему на линии пучка малоуглового рассеяния нейтронов (SANS) в реакторе с высокими потоками изотопов в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Исследователи говорят, что установка SANS давала несколько преимуществ, в том числе возможность отображать нейтронный пучок в дальней зоне, а это означало, что для создания закрученных нейтронов можно было использовать голографическую технику. Кроме того, приборы на линии луча могут быть адаптированы для измерения орбитального углового момента нейтронов.
Пройдя через решетку, пучок нейтронов прошел расстояние 19 м до нейтронной камеры. Изображения, сделанные камерой, показывают характерный узор в форме пончика, который ожидается от пучка закрученных нейтронов, находящихся в определенном состоянии орбитального углового момента. Узоры в форме пончиков были около 10 см в диаметре.
Команда говорит, что их установка может быть использована для изучения топологических свойств материи — свойств, которые могут оказаться полезными при разработке новых квантовых технологий. Его также можно использовать в фундаментальных исследованиях того, как орбитальный угловой момент влияет на взаимодействие нейтронов с веществом.
Исследование описано в Наука развивается.
