Es fácil contemplar la naturaleza ondulatoria de la luz en la experiencia común. La luz blanca que pasa a través de un prisma se extiende en colores constituyentes; difracta de la humedad atmosférica en un arco iris; la luz que pasa a través de un borde afilado o una rejilla de difracción crea un patrón de interferenciaEs más difícil comprender el comportamiento ondulatorio de cosas que generalmente se consideran partículas, como electrones y átomos. Y sin embargo, estas ondas de materia juegan un papel en la física y la tecnología. Por ejemplo, los haces de electrones, manifestados como ondas, proporcionan una forma importantede microscopía.
Los neutrones, un componente básico de los núcleos atómicos, tienen propiedades de onda que se emplean en una variedad de áreas de investigación, como la determinación de la estructura de los materiales. Un experimento reciente proporciona un nuevo control para el control de los neutrones al demostrar que una variable cuántica llamada orbitalSe puede acceder al momento angular en haces de ondas de neutrones, y puede manipularse para su uso en imágenes de neutrones y procesamiento de información cuántica.
Este trabajo fue realizado por una colaboración de científicos del Instituto de Computación Cuántica IQC: University of Waterloo, Canadá, el Instituto Conjunto Quantum JQI, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST, la Universidad de Boston y elPerimeter Institute. Los resultados se resumen en un artículo publicado en la edición del 24 de septiembre de 2015 de la revista Naturaleza . Un ensayo de News & Views, escrito por un científico independiente, acompaña el artículo.
Momento angular orbital
El momento angular en física se define como el momento de un objeto multiplicado por su distancia desde un centro un punto o eje alrededor del cual opera el momento. Por ejemplo, el momento angular orbital OAM de un planeta que gira alrededor del soles el momento del planeta multiplicado por su distancia del Sol. El momento angular orbital también se encuentra en movimientos de onda. Además de su movimiento familiar como frentes de onda paralelos a lo largo de una dirección, las ondas también pueden sacacorchos alrededor de su dirección de propagación. El sacacorchos o vórtice angular orbitalEl impulso OAM se ha demostrado previamente para haces de luz, rayos X y electrones. Se espera que el uso de tales haces se aplique en el estudio de microscopía óptica y de rayos X, astronomía, micromanipulación de partículas, multiplexación /demultiplexación de ondas con diferentes OAM en un canal de comunicación común, litografía y manipulación de estados cuánticos.
Configuración experimental
Para probar estas ideas con ondas de neutrones, el equipo investigador realizó experimentos de interferencia en neutrones producidos por el reactor nuclear en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST.
El número de neutrones producidos por segundo por el reactor el flujo de neutrones es comparable al número de partículas de luz fotones emitidas por segundo por el panel de visualización de un teléfono inteligente. Este flujo de neutrones se distribuye entre una docena de experimentosfuera del reactor. Solo alrededor de 10 neutrones por segundo del flujo total del reactor pasan a través del interferómetro de neutrones utilizado en el experimento. Dado que cada neutrón tarda solo unos 50 microsegundos en pasar a través del interferómetro, casi nunca hay más de un neutrónpresente en él. De hecho, cuando un neutrón está en el interferómetro, su sucesor por lo general ni siquiera ha nacido en el reactor nuclear. Los neutrones interfieren de la misma manera que Paul Dirac describió la interferencia de la luz: "Cada fotón interfiere solo consigo mismo. La interferencia entre dos fotones diferentes nunca ocurre "
Como partícula cuántica, el neutrón se comporta como una onda, con una longitud de onda la longitud de onda deBroglie que en este experimento es de aproximadamente 0.3 nm, comparable al diámetro del átomo de hidrógeno. El interferómetro de neutrones funciona de la siguiente manera.Cuando el haz de neutrones encuentra la primera cuchilla del interferómetro, se divide en dos caminos. Cada uno de los caminos encuentra una segunda cuchilla, que actúa como un espejo. Los dos caminos se fusionan e interfieren en una tercera cuchilla. Se observa la interferencia resultanteutilizando dos detectores de neutrones. El interferómetro de neutrones mide aproximadamente 10 centímetros de largo, por lo que la función de onda de neutrones se extiende sobre un aparato que tiene 300 millones de veces el tamaño de su longitud de onda de DeBroglie. Un interferómetro óptico que tenía la misma relación de longitud de camino a longitud de ondatendría que ser del tamaño de dos campos de fútbol.
El momento angular orbital de un neutrón se expresa en la fase de su función de onda. Por lo tanto, el valor de la OAM puede cambiarse girando la fase de la función de onda de neutrones. Esto se logra utilizando una propiedad contraintuitiva de los neutrones: viajan más rápidoa través de algunos materiales que a través de una aspiradora.
"Esa es una consecuencia loca de la mecánica cuántica", dice el coautor Charles Clark JQI, "que fue entendido por primera vez por Enrico Fermi en la década de 1930." En uno de los dos caminos del interferómetro, los neutrones pasan a través de un "placa de fase en espiral "de aluminio, una escalera de caracol en miniatura, del tamaño de una moneda de diez centavos. En términos clásicos, el tiempo que tarda un neutrón en atravesar la placa desde la parte superior de la escalera es de 200 femtosegundos menos que el tiempo para viajar desde el"No es un gran efecto", agrega Clark, "pero es lo suficientemente bueno para el trabajo del Gobierno". Esta diferencia clásica en los tiempos de tránsito corresponde al "giro" de la función de onda.
El giro en la función de onda de neutrones se revela en el patrón de interferencia de los dos caminos de neutrones, que se recombinan en la tercera cuchilla y se envían hacia dos detectores. Se puede considerar que la onda de neutrones se extiende por todo el aparato,hasta que entra en los detectores. Luego, el neutrón se detecta, en un detector u otro, mediante un proceso destructivo y violento: es absorbido por un núcleo, que se divide en fragmentos cuyas energías se convierten en señales ópticas y eléctricas.Una de las características notables de la realidad cuántica es que, a pesar de que las llegadas de neutrones se registran una por una, el patrón característico buscado correspondiente a la interferencia de ondas de neutrones dentro del aparato debe emerger integrando las ubicaciones detectadas de muchos neutrones individuales que llegan sobre elcurso de una semana de una prueba experimental. Esta información de posición se obtiene mediante un detector bidimensional 2D. El patrón observado muestra la característica shaPe uno esperaría para las ondas de neutrones con exactamente el momento angular orbital impuesto por la placa de fase.
"Hemos explotado una variable cuántica, el momento angular orbital, que no estaba previamente disponible para su uso en el procesamiento de información cuántica basada en neutrones y en la obtención de imágenes", dice Dmitry Pushin IQC, el investigador principal del proyecto ".Al utilizar la interferometría de neutrones, hemos demostrado la adición y conservación de momentos cuánticos angulares, y hemos enredado los caminos cuánticos y los momentos angulares orbitales de los neutrones, que son partículas cuánticas excepcionalmente masivas y penetrantes ".
* Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. El Instituto Conjunto Quantum JQI es operado conjuntamente por el NIST y la Universidad de Maryland en College Park.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Conjunto Cuántico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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