Дослідники з Канади та США створили пучок «закручених» нейтронів із чітко визначеним орбітальним кутовим моментом (OAM). Це було зроблено шляхом пропускання пучка нейтронів з ядерного реактора через спеціальний масив дифракційних граток. Експеримент, описаний як перше спостереження нейтронного пучка з чітко визначеним OAM, є кульмінацією кількох років роботи деяких членів команди, які вперше повідомили про попередні спостереження закручених нейтронів у 2015 році.
Згідно з квантовою механікою, субатомні частинки, такі як нейтрони, поводяться як хвилі та частинки. Цей дуалізм хвиля–частинка породив широке й плідне поле розсіювання нейтронів, за допомогою якого внутрішні структури матеріалів досліджуються за допомогою пучків нейтронів з ядерних реакторів і прискорювачів. У той час як такі експерименти вже давно використовують власний кутовий момент (спін) нейтрона, фізики також зацікавлені у створенні та виявленні пучків скручених нейтронів, які несуть OAM.
Дослідники вже змогли створити пучки закручене світло та закручені електрони у якому хвильові фронти обертаються навколо напрямку поширення, таким чином переносячи OAM. Ці промені мають широкий спектр поточних і потенційних застосувань, включаючи вивчення хіральних молекул і підвищення потужності оптичних телекомунікаційних систем.
Експериментальні завдання
Однак досі фізики намагалися створити пучки скручених нейтронів. У 2015 році Дмитро Пушин і колеги з Університету Ватерлоо разом з фізиками з Об’єднаного квантового інституту в Меріленді та Бостонського університету опублікували статтю в природа Що описав техніку для створення закручених нейтронів шляхом пропускання пучка нейтронів через спіральну фазову пластину (SPP) – пристрій, який використовувався для створення закрученого світла та закручених електронів.
Вони зробили це, розділивши промінь нейтронів на два і відправивши один промінь через SPP. Потім два промені були рекомбіновані, і дослідники виміряли ефект інтерференції, пов’язаний з орбітальним кутовим моментом. Однак у 2018 році незалежна команда фізиків опубліковані розрахунки це показало, що ефект інтерференції, виміряний Пушиним і його колегами, не був пов'язаний з орбітальним кутовим моментом.
Не злякавшись, Пушин і його колеги застосували новий підхід і тепер заявляють про успіх. Замість використання SPP дослідники використали голографічну техніку, яка включає масив із мільйонів спеціальних решіток, виготовлених із кремнію. Кожна решітка має «розгалужену вилку», за допомогою якої одна з ліній у решітці розпадається на чотири лінії, створюючи вилкоподібну структуру (див. малюнок).
Шість мільйонів решіток
Кожна решітка має розміри в один квадратний мікрон і містить кремнієві структури висотою 500 нм, розділені приблизно 120 нм. Масив займає площу 0.5×0.5 см2 і включає понад шість мільйонів окремих решіток.
Фізики ставлять під сумнів «скручені» нейтрони
Команда випробувала свою систему на лінії пучка малокутового розсіювання нейтронів (SANS) у високопоточному ізотопному реакторі в Національній лабораторії Оук-Рідж у Теннессі. Дослідники кажуть, що установка SANS має кілька переваг, включаючи можливість картографувати пучок нейтронів у дальньому полі, що означає, що голографічна техніка може бути використана для створення скручених нейтронів. Крім того, прилади на лінії променя можуть бути адаптовані для вимірювання орбітального кутового моменту нейтронів.
Пройшовши через решітку, пучок нейтронів пройшов відстань 19 м до нейтронної камери. Зображення, зроблені камерою, показують характерний малюнок у формі бублика, який очікується від пучка скручених нейтронів, який перебуває в певному стані орбітального кутового моменту. Візерунки у формі пончиків мали близько 10 см у діаметрі.
Команда каже, що їх установку можна використовувати для вивчення топологічних властивостей матерії – властивостей, які можуть виявитися корисними для розробки нових квантових технологій. Його також можна використовувати у фундаментальних дослідженнях того, як орбітальний кутовий момент впливає на взаємодію нейтронів з матерією.
Дослідження описано в Наука розвивається.
