ลำแสงของนิวตรอน "บิด" ที่มีโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร (OAM) ที่กำหนดไว้อย่างดีถูกสร้างขึ้นโดยนักวิจัยในแคนาดาและสหรัฐอเมริกา สิ่งนี้ทำได้โดยการส่งลำแสงนิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ผ่านตะแกรงการเลี้ยวเบนแบบพิเศษ อธิบายว่าเป็นการสังเกตลำแสงนิวตรอนครั้งแรกด้วย OAM ที่กำหนดไว้อย่างดี การทดลองนี้ถือเป็นจุดสุดยอดของการทำงานหลายปีโดยสมาชิกในทีมบางคน ซึ่งเป็นผู้รายงานการสังเกตการณ์เบื้องต้นเบื้องต้นของนิวตรอนบิดเบี้ยวในปี 2015
ตามกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคของอะตอม เช่น นิวตรอน มีพฤติกรรมเหมือนทั้งคลื่นและอนุภาค ความเป็นสองเท่าของคลื่นและอนุภาคนี้ก่อให้เกิดการกระเจิงของนิวตรอนในวงกว้างและเกิดผล โดยโครงสร้างภายในของวัสดุจะถูกตรวจสอบโดยใช้ลำแสงนิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และเครื่องเร่งความเร็ว แม้ว่าการทดลองดังกล่าวจะใช้โมเมนตัมเชิงมุม (สปิน) ภายในของนิวตรอนมานานแล้ว แต่นักฟิสิกส์ก็กระตือรือร้นที่จะสร้างและตรวจจับลำแสงของนิวตรอนที่บิดเบี้ยวซึ่งมี OAM
นักวิจัยสามารถสร้างคานได้แล้ว แสงบิด และ อิเล็กตรอนบิดเบี้ยว ซึ่งหน้าคลื่นจะหมุนตามทิศทางของการแพร่กระจาย ดังนั้นจึงมี OAM ลำแสงเหล่านี้มีการใช้งานในปัจจุบันและศักยภาพที่หลากหลาย รวมถึงการศึกษาโมเลกุลไครัลและการเพิ่มขีดความสามารถของระบบโทรคมนาคมแบบออปติก
ความท้าทายในการทดลอง
อย่างไรก็ตาม จนถึงตอนนี้ นักฟิสิกส์พยายามสร้างลำแสงของนิวตรอนที่บิดเบี้ยว ในปี 2015 ดมิทรี พุชชิน และเพื่อนร่วมงานที่ University of Waterloo พร้อมด้วยนักฟิสิกส์ที่ Joint Quantum Institute ใน Maryland และ Boston University ได้ตีพิมพ์บทความใน ธรรมชาติ ที่ ได้อธิบายเทคนิค สำหรับสร้างนิวตรอนบิดเกลียวโดยการส่งลำแสงนิวตรอนผ่านแผ่นเฟสเกลียว (SPP) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้สร้างแสงบิดเบี้ยวและอิเล็กตรอนบิดเกลียว
พวกเขาทำสิ่งนี้โดยแยกลำแสงนิวตรอนออกเป็นสองลำและส่งลำแสงหนึ่งลำผ่าน SPP ลำแสงทั้งสองถูกรวมเข้าด้วยกันอีกครั้งและนักวิจัยได้วัดผลการรบกวนที่เกี่ยวข้องกับโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร อย่างไรก็ตาม ในปี 2018 ทีมนักฟิสิกส์อิสระ การคำนวณเผยแพร่ นั่นแสดงให้เห็นว่าผลการรบกวนที่วัดโดย Pushin และเพื่อนร่วมงานไม่เกี่ยวข้องกับโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร
พุชชินและเพื่อนร่วมงานใช้แนวทางใหม่และตอนนี้ประสบความสำเร็จ แทนที่จะใช้ SPP นักวิจัยใช้เทคนิคโฮโลกราฟิกที่เกี่ยวข้องกับตะแกรงพิเศษหลายล้านชิ้นที่ทำจากซิลิกอน ตะแกรงแต่ละอันมี "การเคลื่อนตัวของส้อม" โดยเส้นหนึ่งในตะแกรงจะแบ่งออกเป็นสี่เส้น ทำให้เกิดโครงสร้างคล้ายส้อม (ดูรูป)
หกล้านบำเหน็จ
แต่ละตะแกรงมีขนาดหนึ่งไมครอนและประกอบด้วยโครงสร้างซิลิกอนที่สูง 500 นาโนเมตรและแยกจากกันประมาณ 120 นาโนเมตร อาร์เรย์ครอบคลุมพื้นที่ 0.5×0.5 ซม2 และรวมถึงความพึงพอใจส่วนตัวมากกว่าหกล้านรายการ
นักฟิสิกส์สงสัยนิวตรอน 'บิด'
ทีมทดสอบระบบของพวกเขาโดยใช้ลำแสงกระจายนิวตรอนมุมเล็ก (SANS) ที่เครื่องปฏิกรณ์ไอโซโทปฟลักซ์สูงที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ในรัฐเทนเนสซี นักวิจัยกล่าวว่าการตั้งค่า SANS มีข้อดีหลายประการ รวมถึงความสามารถในการทำแผนที่ลำแสงนิวตรอนในทุ่งไกล ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้เทคนิคโฮโลแกรมเพื่อสร้างนิวตรอนบิดเบี้ยวได้ นอกจากนี้ยังสามารถปรับเครื่องมือวัดบนเส้นลำแสงเพื่อวัดโมเมนตัมเชิงมุมในวงโคจรของนิวตรอน
หลังจากผ่านอาร์เรย์แล้ว ลำแสงนิวตรอนจะเดินทางเป็นระยะทาง 19 ม. ไปยังกล้องนิวตรอน ภาพที่ถ่ายโดยกล้องแสดงรูปแบบรูปทรงโดนัทที่โดดเด่นซึ่งคาดว่าเกิดจากลำแสงนิวตรอนบิดเกลียวซึ่งอยู่ในสถานะเฉพาะของโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร ลายโดนัทเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 ซม.
ทีมงานกล่าวว่าการตั้งค่าของพวกเขาสามารถใช้เพื่อศึกษาคุณสมบัติทอพอโลยีของสสาร ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์ในการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมใหม่ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการศึกษาขั้นพื้นฐานว่าโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรส่งผลต่อปฏิกิริยาของนิวตรอนกับสสารอย่างไร
งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน วิทยาศาสตร์ก้าวหน้า.
