加拿大和美国的研究人员创造了一束具有明确轨道角动量 (OAM) 的“扭曲”中子。 这是通过使来自核反应堆的中子束通过特殊的衍射光栅阵列来完成的。 该实验被描述为对具有明确 OAM 的中子束的首次观察，是一些团队成员多年工作的结晶，他们于 2015 年首次报告了对扭曲中子的初步观察。
根据量子力学，中子等亚原子粒子的行为既像波又像粒子。 这种波粒二象性催生了广泛而富有成果的中子散射领域，利用来自核反应堆和加速器的中子束探测材料的内部结构。 虽然此类实验长期以来一直使用中子的固有角动量（自旋），但物理学家也热衷于创建和检测携带 OAM 的扭曲中子束。
研究人员已经能够创造光束 扭曲的光 和 扭曲的电子 其中波阵面围绕传播方向旋转，从而携带 OAM。 这些光束具有广泛的当前和潜在应用，包括研究手性分子和提高光通信系统的容量。
实验挑战
然而，到目前为止，物理学家一直在努力制造扭曲的中子束。 2015年， 德米特里普欣 和滑铁卢大学的同事，以及马里兰州和波士顿大学联合量子研究所的物理学家发表了一篇论文 自然 这 描述了一种技术 通过使一束中子通过螺旋相位板 (SPP) 来产生扭曲中子——一种用于产生扭曲光和扭曲电子的装置。
他们通过将一束中子束一分为二并通过 SPP 发送一束来做到这一点。 然后将两束光束重新组合，研究人员测量了与轨道角动量相关的干涉效应。 然而，在 2018 年，一个独立的物理学家团队 公布的计算 这表明 Pushin 及其同事测量的干扰效应与轨道角动量无关。
Pushin 和他的同事们并没有被吓倒，他们采取了一种新的方法，现在他们声称取得了成功。 研究人员没有使用 SPP，而是使用了一种全息技术，该技术涉及数百万个由硅制成的特殊光栅阵列。 每个光栅都有一个“叉状错位”，光栅中的一条线分成四条线，形成叉状结构（见图）。
六百万个光栅
每个光栅尺寸为 500 平方微米，包含 120 nm 高且间隔约 0.5 nm 的硅结构。 阵列覆盖面积为0.5×XNUMX cm2 并包括超过 XNUMX 万个单独的光栅。
物理学家对“扭曲”中子表示怀疑
该团队在田纳西州橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆的小角度中子散射 (SANS) 光束线上测试了他们的系统。 研究人员表示，SANS 设置提供了几个优势，包括在远场绘制中子束的能力——这意味着可以使用全息技术来创建扭曲的中子。 此外，光束线上的仪器可用于测量中子的轨道角动量。
穿过阵列后，中子束行进了 19 m 的距离到达中子照相机。 相机拍摄的图像显示了独特的环形图案，这是预期来自处于特定轨道角动量状态的扭曲中子束。 环形图案的直径约为 10 厘米。
该团队表示，他们的装置可用于研究物质的拓扑特性——这些特性可能有助于开发新的量子技术。 它还可以用于轨道角动量如何影响中子与物质相互作用的基础研究。
该研究描述于 科学进展.
