Raziskovalci v Kanadi in ZDA so ustvarili žarek "zvitih" nevtronov z natančno definiranim orbitalnim kotnim momentom (OAM). To so storili tako, da so nevtronski žarek iz jedrskega reaktorja spustili skozi poseben niz uklonskih rešetk. Eksperiment, opisan kot prvo opazovanje nevtronskega žarka z dobro definiranim OAM, je vrhunec večletnega dela nekaterih članov ekipe, ki so leta 2015 prvič poročali o poskusnih opazovanjih zvitih nevtronov.
V skladu s kvantno mehaniko se subatomski delci, kot so nevtroni, obnašajo tako kot valovi kot kot delci. Ta dvojnost val-delec je povzročila široko in plodno področje sipanja nevtronov, pri čemer se notranje strukture materialov preiskujejo z uporabo žarkov nevtronov iz jedrskih reaktorjev in pospeševalnikov. Medtem ko so takšni poskusi že dolgo uporabljali intrinzični kotni moment (spin) nevtrona, so fiziki navdušeni tudi nad ustvarjanjem in odkrivanjem žarkov zvitih nevtronov, ki prenašajo OAM.
Raziskovalcem je že uspelo ustvariti žarke zvita svetloba in zviti elektroni pri katerem se valovne fronte vrtijo okoli smeri širjenja in tako prenašajo OAM. Ti žarki imajo široko paleto trenutnih in potencialnih aplikacij, vključno s preučevanjem kiralnih molekul in povečanjem zmogljivosti optičnih telekomunikacijskih sistemov.
Eksperimentalni izzivi
Doslej pa so se fiziki trudili ustvariti žarke zvitih nevtronov. Leta 2015, Dmitrij Pušin in kolegi z Univerze Waterloo, skupaj s fiziki na Joint Quantum Institute v Marylandu in Bostonski univerzi objavili članek v Narava da opisal tehniko za ustvarjanje zvitih nevtronov s prehodom žarka nevtronov skozi spiralno fazno ploščo (SPP) – napravo, ki je bila uporabljena za ustvarjanje zvite svetlobe in zvitih elektronov.
To so storili tako, da so nevtronski žarek razdelili na dva in en žarek poslali skozi SPP. Oba žarka sta bila nato rekombinirana in raziskovalci so izmerili interferenčni učinek, povezan z orbitalnim kotnim momentom. Vendar pa je leta 2018 neodvisna ekipa fizikov objavljeni izračuni ki je pokazala, da interferenčni učinek, ki so ga izmerili Pushin in sodelavci, ni bil povezan z orbitalnim kotnim momentom.
Pushin in njegovi kolegi so se neomajno odločili za nov pristop in zdaj trdijo, da so uspešni. Namesto uporabe SPP so raziskovalci uporabili holografsko tehniko, ki vključuje vrsto milijonov posebnih rešetk, narejenih iz silicija. Vsaka rešetka ima "odmik vilic", pri čemer se ena od črt v mreži razcepi na štiri črte, kar ustvari strukturo, podobno vilicam (glej sliko).
Šest milijonov rešetk
Vsaka rešetka meri en mikronski kvadrat in obsega silicijeve strukture, ki so visoke 500 nm in so ločene s približno 120 nn. Niz pokriva površino 0.5×0.5 cm2 in vključuje več kot šest milijonov posameznih rešetk.
Fiziki dvomijo o 'zvitih' nevtronih
Ekipa je testirala svoj sistem na žarku sipanja nevtronov z majhnim kotom (SANS) v izotopskem reaktorju z visokim pretokom v Nacionalnem laboratoriju Oak Ridge v Tennesseeju. Raziskovalci pravijo, da je postavitev SANS ponudila več prednosti, vključno z zmožnostjo preslikave nevtronskega žarka v oddaljenem polju – kar je pomenilo, da bi lahko uporabili holografsko tehniko za ustvarjanje zvitih nevtronov. Prav tako bi bilo mogoče instrumente na žarkovni liniji prilagoditi za merjenje orbitalnega kotnega momenta nevtronov.
Po prehodu skozi niz je nevtronski žarek prepotoval razdaljo 19 m do nevtronske kamere. Slike, ki jih je posnela kamera, prikazujejo značilen vzorec v obliki krofa, ki se pričakuje od žarka zvitih nevtronov, ki je v določenem stanju orbitalnega kotnega momenta. Vzorci v obliki krofov so bili premera približno 10 cm.
Ekipa pravi, da bi lahko njihovo postavitev uporabili za preučevanje topoloških lastnosti snovi – lastnosti, ki bi se lahko izkazale za koristne pri razvoju novih kvantnih tehnologij. Lahko bi ga uporabili tudi v temeljnih študijah o tem, kako orbitalni kotni moment vpliva na interakcijo nevtronov s snovjo.
Raziskava je opisana v Znanost Predplačila.
