Физики научились закручивать нейтроны

Группа физиков из США и Канады сделала первый шаг на пути к получению закрученных нейтронных волн — особых состояний нейтронов, в которых они не просто летят вперед, но еще и крутятся вокруг оси движения. Закрученные фотоны и электроны уже были известны физикам и нашли множество применений. Ожидается, что и закрученные нейтроны откроют новые возможности для исследования вещества. Статья с результатами работы была опубликована в журнале Nature.

Когда физики, выполняя тонкие квантовые эксперименты, манипулируют с отдельными частицами — фотонами, электронами, нейтронами, — в их распоряжении обычно есть всего три характеристики частиц: энергия, направление движения, и спин (или, что то же самое, поляризация). При этом та же поляризация, например, принимает для фотонов и электронов всего два базисных значения: спин бывает по и против направления движения, и этим двумерным пространством возможностей приходилось ограничивать эксперименты с одиночными частицами.

В 90-х годах была реализована совершенно новая возможность — были получены закрученные фотоны. В отличие от плоской волны, волновой фронт такого фотона имеет вид не плоскости, а спиральной поверхности, накручивающейся на ось распространения. Создать такой фронт легко: плоская волна, проходя через спиральную пластинку переменной толщины, сама приобретает нужную закрутку (на иллюстрации выше).

Такой фотон обладает не только поляризацией, но и реальным физическим вращением, орбитальным угловым моментом, который может принимать совершенно произвольные значения (скажем, уже реализованы фотоны с тысячекратной закрученностью). Эта новая характеристика фотона, доступная эксперименту и устойчивая к шумам, привела к рождению новых направлений в физике квантовой информации и новых методов манипулирования веществом. В 2010 году были созданы и закрученные электроны, — и тут же на их основе был разработан новый метод исследования магнитной структуры вещества с атомарным разрешением (подробнее про свойства, методы получения, и про применения закрученных состояний читайте

).

Третий, после фотонов и электронов, важнейший тип частиц, пригодных для исследования вещества, — это нейтроны. На их основе реализованы нейтронная радиография, нейтронная томография с холодными нейтронами, нейтронная спектроскопия, за которую была присуждена Нобелевская премия по физике за 1994 год. Поэтому возникает естественное желание создать закрученные нейтроны и с их помощью еще более тщательно изучать материалы.

На пути к этому, однако, есть большая проблема. У тех нейтронов, которые получаются в эксперименте, очень плохой волновой фронт. Поперечная длина когерентности реакторных нейтронов — от силы несколько микрон. А для того, чтобы создать хороший, по-настоящему закрученный нейтрон, нужен достаточно протяженный волновой фронт, который сможет охватить всю пластинку в поперечном направлении.

Несмотря на это, международная команда физиков из США и Канады выполнила в американском Национальном Институте Стандартов и Технологии (NIST) хитроумный эксперимент, в котором закрученные нейтроны были — в некотором смысле! — все же получены. Для этого использовался нейтронный интерферометр — прибор, расщепляющий входящий луч на два луча, которые идут по разным путям, отражаются, и вновь воссоединяются в полупрозрачном зеркале (схема эксперимента ниже). Подчеркнем, что это квантовый эффект: такое расщепление на две ипостаси и воссоединение происходит с каждым отдельным нейтронов, вошедшим в установку. Во время воссоединения происходит интерференция волн — и, в зависимости от ее результата, каждый нейтрон либо уходит налево и попадает на экран (так получается изображение), либо — направо, в простой счетчик нейтронов.

В одно плечо интерферометра исследователи поместили спиральную пластинку, которая должна производить «нарезку» волнового фронта. На пластинка размером в сантиметр, выполненной из алюминиевого сплава, была выгравирована миниатюрная винтовая лестница, так что после полного оборота перепад толщины составлял 0,112 мм. Для холодных нейтронов сплошное вещество выглядит как прозрачный материал с коэффициентом преломления чуть меньше единицы. Поэтому такая пластинка переменной толщины искажала волновой фронт ровно настолько, чтобы нейтрон приобретал закрученность на один оборот.

На вход интерферометра поступали нейтроны, выведенные из исследовательского реактора, охлажденные до 20К, и транспортированные по нейтронным каналам на расстояние 30 метров в лабораторию. Интенсивность потока была понижена для того, чтобы нейтроны влетали в установку строго по одному. Поскольку нейтроны были реакторные, нейтронный луч имел очень плохую когерентность: его ширина составляла полтора сантиметра, но поперечный размер каждого входящего нейтрона был всего лишь порядка микрона. Поэтому каждый конкретный нейтрон, проходя через пластинку не мог охватить всю ее по ширине и не приобретал такую красивую закрутку, как на верхнем врезе, а представлял собой лишь небольшой кусочек этого волнового фронта. Иными словами, настоящие закрученные нейтроны в этом эксперименте все же не были получены.

Однако каждый нейтрон приобретал нужный сдвиг фазы, в зависимости от того, в каком месте он прошел сквозь пластинку. Поэтому после интерференции на экране все же возникала многолепестковая картина, характерная именно для закрученных волн (главная иллюстрация к новости). Для получения такой картины требовалось несколько дней непрерывной работы и накопления многих тысяч нейтронов. Эта картина свидетельствует о том, что в среднем пластинка все же сдвигает орбитальный угловой момент частиц на нужную величину, пусть это и не видно в каждом отдельном нейтроне. А это означает, что те физические эффекты, которые ожидались от настоящих закрученных нейтронов, должны проявиться и в такой методике. В частности, была выполнена простейшая проверка сложения орбитального углового момента: две пластинки с закруткой на один и на два оборота дали в сумме результат, эквивалентный тройной закрутке.

Авторы работы подчеркивают, что они сделали лишь самый первый шаг в новом направлении исследований. Безусловно, они в дальнейшем постараются оптимизировать свою установку, попробуют получать закрученные нейтроны другими способами, и начнут выполнять с ними первые диагностические опыты.

Игорь Иванов