Физики из Канады и США провели эксперимент по полноценной закрутке нейтронов. В предыдущих исследованиях закрученность наблюдалась лишь статистически из-за того, что ширина волнового фронта нейтронов не могла покрыть всю фазовую пластинку. В новой работе каждый нейтрон подвергался закрутке благодаря массиву из более чем шести миллионов вилочных дифракционных пластинок.

Исследование опубликовано в Science Advances.

В последние годы нейтроны стали важным инструментом в руках физиков. Благодаря своей большой массе и электрической нейтральности эти частицы обладают высокой проникающей способностью, а нанометровая длина волны и наличие магнитного момента делают их подходящими для исследования свойств вещества и даже поиска Новой физики. Кроме того, активно развивается нейтронная интерферометрия и нейтронная спектроскопия, за которую вручили Нобелевскую премию в 1994 году.

Для получения максимальной пользы от нейтронов физикам потребовалось научиться управлять как можно большим числом их свойств. В первую очередь речь идет об импульсе, энергии и спине частиц. Управлению доступны и волновые параметры нейтронов. Так, контроля фазы удается достичь благодаря нейтронному интерферометру.

Последнее, что не очень хорошо умеют делать физики, так это управлять формой волнового фронта нейтронов. Например, простейшая операция, которую можно провести над волновыми фронтами фотонов, а именно изменение их кривизны с помощью собирающей или рассеивающей линз, не так-то просто проделать с нейтронами, поскольку нейтронный показатель преломления доступных материалов слабо отличается от единицы.

Закрутить нейтроны (то есть придать им орбитальный момент) также довольно трудно, поскольку ширина когерентности волнового фронта не превышает нескольких сантиметров, а длина — микрометров. Это мешает использовать фазовые пластинки — устройства для закрутки волн, успешно применяемые для света или звука, — так как их размер ощутимо больше. Вместо этого физики работают со средними орбитальными моментами нейтронов, которые получаются после набора статистики по прохождению множества нейтронов через различные места фазовой пластинки.

Такое положение дел не устраивало американских и канадских физиков под руководством Дмитрия Пушина (Dmitry Pushin) из Университета Ватерлоо. В отличие от своего предыдущего исследования они применили голографический метод закрутки с помощью вилочных дифракционных пластинок. В таких устройствах закрученность возникает в ненулевых дифракционных порядках. А чтобы каждому нейтрону пришлось закрутиться, физики изготовили квадратный массив из 6 250 000 таких пластинок по 2500 штук в каждом ряду и столбце. Пластинка были сформированы на кремниевой подложке с периодом в два микрона, и итоговая сторона квадратного массива оказалась равна пяти миллиметрам.

СЭМ-изображения отдельного участка массива и геометрические параметры вилочных пластинок / Dusan Sarenac et al. / Science Advances, 2022

Всего авторы изготовили три массива: с топологическим зарядом (то есть наделяемым орбитальным моментом) равным нулю, трем и семи. Первый образец нужен был для контрольного эксперимента. Закрученность частиц проявляет себя в виде полярного распределения фазы, напоминающего лепестки цветов, и распределения интенсивности, напоминающего бублик. Чем больше орбитальный момент, тем больше «лепестков» и тем больший радиус у «бублика». Авторы ограничились измерением распределения интенсивности.

Нейтроны для эксперимента рождал высокопоточный изотопный реактор, расположенный в Ок-Риджской национальной лаборатории, в режиме малоуглового рассеяния. Физики направляли частицы на массив и измеряли распределение интенсивности в разных порядках дифракции. Опыты показали, что для всех массивов кроме контрольного возникают кольца в первых порядках дифракции, а их размеры находятся в хорошем согласии с теорией. Условия эксперимента позволяют утверждать, что при этом каждый нейтрон переносил орбитальный момент.

Дифракционные картины для массивов с различным топологическим зарядом. Вертикальные линии обозначают теоретические границы «бубликов». / Dusan Sarenac et al. / Science Advances, 2022

Хочется надеяться, что в будущем физики получат доступ к фазовым свойствам закрученных нейтронов и смогут продемонстрировать «лепестки». А пока вы можете посмотреть на фазовые распределения закрученного звука.