En stråle av "vridna" neutroner med ett väldefinierat orbital vinkelmoment (OAM) har skapats av forskare i Kanada och USA. Detta gjordes genom att passera en neutronstråle från en kärnreaktor genom en speciell uppsättning diffraktionsgitter. Beskrivet som den första observationen av en neutronstråle med en väldefinierad OAM, är experimentet kulmen på flera års arbete av några av teammedlemmarna, som först rapporterade trevande observationer av vridna neutroner 2015.
Enligt kvantmekaniken beter sig subatomära partiklar som neutroner som både vågor och partiklar. Denna våg-partikeldualitet har gett upphov till det breda och fruktbara området för neutronspridning, där de inre strukturerna av material undersöks med hjälp av neutronstrålar från kärnreaktorer och acceleratorer. Medan sådana experiment länge har använt neutronens inneboende vinkelmomentum (spin) är fysiker också angelägna om att skapa och detektera strålar av vridna neutroner som bär OAM.
Forskare har redan kunnat skapa strålar av vridet ljus och vridna elektroner där vågfronterna roterar kring utbredningsriktningen och därigenom bär OAM. Dessa strålar har ett brett utbud av nuvarande och potentiella tillämpningar, inklusive att studera kirala molekyler och öka kapaciteten hos optiska telekomsystem.
Experimentella utmaningar
Hittills har fysiker dock kämpat för att skapa strålar av vridna neutroner. 2015, Dmitry Pushin och kollegor vid University of Waterloo, tillsammans med fysiker vid Joint Quantum Institute i Maryland och Boston University publicerade en artikel i Natur den där beskrev en teknik för att skapa vridna neutroner genom att skicka en stråle av neutroner genom en spiralfasplatta (SPP) – en anordning som har använts för att skapa vridet ljus och vridna elektroner.
De gjorde detta genom att dela en neutronstråle i två och skicka en stråle genom SPP. De två strålarna kombinerades sedan om och forskarna mätte en interferenseffekt relaterad till orbital vinkelmomentum. Men under 2018 ett oberoende team av fysiker publicerade beräkningar som visade att interferenseffekten mätt av Pushin och kollegor inte var relaterad till orbital vinkelmomentum.
Oavskräckta har Pushin och kollegor tagit ett nytt tillvägagångssätt och gör nu anspråk på framgång. Istället för att använda en SPP använde forskarna en holografisk teknik som involverar en rad miljontals speciella galler gjorda av kisel. Varje galler har en "gaffelförskjutning" varvid en av linjerna i gallret delar sig i fyra linjer, vilket skapar en gaffelliknande struktur (se figur).
Sex miljoner galler
Varje galler mäter en kvadratisk mikrometer och består av kiselstrukturer som är 500 nm höga och separerade med cirka 120 nn. Arrayen täcker en yta på 0.5×0.5 cm2 och inkluderar över sex miljoner enskilda galler.
Fysiker tvivlar på "vridna" neutroner
Teamet testade sitt system på en liten vinkel neutronspridning (SANS) strållinje vid High Flux Isotope Reactor vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee. Forskarna säger att SANS-upplägget erbjöd flera fördelar, inklusive möjligheten att kartlägga neutronstrålen i fjärrfältet - vilket innebar att en holografisk teknik kunde användas för att skapa de vridna neutronerna. Instrumenteringen på strållinjen skulle också kunna anpassas för att mäta neutronernas omloppsrörelsemängd.
Efter att ha passerat genom arrayen reste neutronstrålen ett avstånd på 19 m till en neutronkamera. Bilder tagna av kameran visar det distinkta munkformade mönstret som förväntas från en stråle av vridna neutroner som befinner sig i ett specifikt tillstånd av omloppsrörelse. De munkformade mönstren var cirka 10 cm i diameter.
Teamet säger att deras inställning kan användas för att studera materiens topologiska egenskaper – egenskaper som kan visa sig användbara för att utveckla nya kvantteknologier. Det skulle också kunna användas i grundläggande studier av hur rörelsemängd i omloppsbanan påverkar hur neutroner interagerar med materia.
Forskningen beskrivs i Vetenskap Förskott.
