Một chùm neutron “xoắn” với xung lượng góc quỹ đạo xác định rõ (OAM) đã được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu ở Canada và Mỹ. Điều này được thực hiện bằng cách cho một chùm neutron từ một lò phản ứng hạt nhân đi qua một dãy các cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Được mô tả là quan sát đầu tiên về chùm neutron với OAM được xác định rõ, thí nghiệm này là đỉnh cao của nhiều năm làm việc của một số thành viên trong nhóm, những người đầu tiên báo cáo các quan sát sơ bộ về neutron xoắn vào năm 2015.
Theo cơ học lượng tử, các hạt hạ nguyên tử như neutron hoạt động giống như cả sóng và hạt. Lưỡng tính sóng-hạt này đã làm phát sinh trường tán xạ neutron rộng và hiệu quả, theo đó các cấu trúc bên trong của vật liệu được thăm dò bằng cách sử dụng các chùm neutron từ các lò phản ứng hạt nhân và máy gia tốc. Trong khi các thí nghiệm như vậy từ lâu đã sử dụng động lượng góc nội tại (spin) của neutron, các nhà vật lý cũng quan tâm đến việc tạo ra và phát hiện các chùm neutron xoắn mang OAM.
Các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra các chùm ánh sáng xoắn và điện tử xoắn trong đó các mặt sóng quay quanh hướng truyền, do đó mang OAM. Những chùm tia này có nhiều ứng dụng hiện tại và tiềm năng bao gồm nghiên cứu các phân tử đối kháng và tăng cường năng lực của các hệ thống viễn thông quang học.
Thử thách thử nghiệm
Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà vật lý đã phải vật lộn để tạo ra các chùm neutron xoắn. Trong năm 2015, Dmitry Pushin và các đồng nghiệp tại Đại học Waterloo, cùng với các nhà vật lý tại Viện lượng tử chung ở Maryland và Đại học Boston đã xuất bản một bài báo trên Thiên nhiên việc này mô tả một kỹ thuật để tạo ra các neutron xoắn bằng cách cho một chùm neutron đi qua một tấm pha xoắn ốc (SPP) – một thiết bị đã được sử dụng để tạo ra ánh sáng xoắn và các electron xoắn.
Họ đã làm điều này bằng cách tách một chùm neutron thành hai và gửi một chùm qua SPP. Hai chùm tia sau đó được kết hợp lại và các nhà nghiên cứu đã đo hiệu ứng giao thoa liên quan đến động lượng góc quỹ đạo. Tuy nhiên, vào năm 2018, một nhóm các nhà vật lý độc lập công bố tính toán điều đó cho thấy hiệu ứng giao thoa được đo bởi Pushin và các đồng nghiệp không liên quan đến động lượng góc quỹ đạo.
Không nản lòng, Pushin và các đồng nghiệp đã thực hiện một cách tiếp cận mới và hiện đang gặt hái thành công. Thay vì sử dụng SPP, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật ảnh ba chiều liên quan đến một dãy hàng triệu cách tử đặc biệt làm từ silicon. Mỗi cách tử có một “trật khớp ngã ba”, theo đó một trong các đường trong cách tử chia thành bốn đường, tạo ra một cấu trúc giống như hình ngã ba (xem hình).
Sáu triệu cách tử
Mỗi cách tử có kích thước một ô vuông micron và bao gồm các cấu trúc silicon cao 500 nm và cách nhau khoảng 120 nn. Mảng có diện tích 0.5 × 0.5 cm2 và bao gồm hơn sáu triệu cách tử riêng lẻ.
Các nhà vật lý nghi ngờ về neutron 'xoắn'
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống của họ trên chùm tia tán xạ neutron góc nhỏ (SANS) tại Lò phản ứng đồng vị thông lượng cao tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee. Các nhà nghiên cứu nói rằng thiết lập SANS mang lại một số lợi thế, bao gồm khả năng lập bản đồ chùm neutron ở trường xa – điều đó có nghĩa là một kỹ thuật ảnh ba chiều có thể được sử dụng để tạo ra các neutron xoắn. Ngoài ra, thiết bị trên đường tia có thể được điều chỉnh để đo động lượng góc quỹ đạo của neutron.
Sau khi đi qua mảng, chùm neutron đi một quãng đường 19 m đến một máy ảnh neutron. Hình ảnh do máy ảnh chụp cho thấy mô hình hình bánh rán đặc biệt được mong đợi từ một chùm neutron xoắn ở một trạng thái xác định của mômen động lượng quỹ đạo. Các mẫu hình bánh rán có đường kính khoảng 10 cm.
Nhóm nghiên cứu nói rằng thiết lập của họ có thể được sử dụng để nghiên cứu các tính chất tô pô của vật chất – những tính chất có thể tỏ ra hữu ích trong việc phát triển các công nghệ lượng tử mới. Nó cũng có thể được sử dụng trong các nghiên cứu cơ bản về cách động lượng góc quỹ đạo ảnh hưởng đến cách neutron tương tác với vật chất.
Nghiên cứu được mô tả trong Những tiến bộ khoa học.
