Ny kvanteeffekt fundet:Spin-rotationskobling

Forestil dig en danser en pointe, spinder om sin egen akse, mens hun danser på en roterende karrusel. Hun kan skade sig selv, når begge rotationer lægger op, og vinkelmomentet overføres. Er lignende fænomener også til stede i kvantemekaniske systemer?

Efter mange års forberedelse, et hold ved TU Wien formåede at udføre et eksperiment, hvor en neutrons spin bevæger sig gennem et område med et roterende magnetfelt. En særlig slags spole skulle udvikles for at producere dette roterende magnetfelt. Selvom neutronspin ikke bærer nogen masse og kun kan beskrives kvantemekanisk, det udviser en inertiegenskab. Disse resultater er nu offentliggjort i Nature Partner Journal Quantum Information .

Rotationens inerti:Store hjul bliver ved med at dreje

"Inerti er et allestedsnærværende træk, Stephan Sponar fra Institute of Atomic and Subatomic Physics på TU Wien illustrerer. "Når vi sidder på et tog, der kører med konstant hastighed, vi kan ikke se forskel på et tog, der er parkeret på stationen. Kun ved ændring af referenceramme, f.eks. når man hopper af toget, vi er bremset. Vi føler kræfter på grund af vores masses inerti."

Når rotationer tages i betragtning, ting ligner hinanden:vinkelmomentet af et roterende objekt bevares, så længe der ikke påføres et eksternt drejningsmoment. Men når man overvejer kvantepartikler, tingene bliver mere komplicerede:"Partikler som neutroner eller elektroner har en særlig form for vinkelmomentum - spin, " siger Armin Danner, hovedforfatter på det nyudgivne papir.

Spin er den iboende orbitale vinkelmomentum af en elementær partikel. Der er ligheder med rotationen af ​​en planet, der roterer om sin akse, men i mange henseender holder denne sammenligning ikke:spindet er en egenskab ved punktlignende partikler. Med en klassisk tankegang, de kan ikke rotere om nogen akse. "Spin kan betragtes som vinkelmomentet af et objekt, der er begrænset til et punkt, " siger Armin Danner. Egenskaberne ved sådan et spin findes ikke i vores hverdag. Men kvantemekanikkens formalisme kan give os en intuitiv idé om, hvordan tingene fungerer i nogle tilfælde.

Kobling mellem spin og magnetfelt

"Langt tilbage i 1988, kolleger har allerede forudsagt, hvordan en neutron skulle opføre sig, når den pludselig udsættes for rotation, " Prof. Yuji Hasegawa, leder af neutroninterferometrigruppen, forklarer. "En kobling mellem neutronspin og et roterende magnetfelt blev forudsagt. Men indtil nu, ingen kunne direkte påvise denne kobling i dens kvantemekaniske form. Det tog os også et par års arbejde og flere forsøg på at gøre det."

Svarende til en danser, der har spin og krydser en roterende karrusel, neutronen udsættes for et roterende magnetfelt. Dette felt manipulerer spin, imidlertid, spin-orienteringerne før og efter magnetfeltet er de samme. Efter at have krydset området med magnetfeltet, neutronens vinkelmomentum er nøjagtig det samme som før. Det eneste, der "er sket" med neutronen, er, at den oplevede virkninger af inerti, som kan påvises ved hjælp af kvantemekanik.

I forsøgsopstillingen, neutronstrålen er opdelt i to adskilte delstråler. En af dem er udsat for et roterende felt, mens den anden er upåvirket. Begge delbjælker kombineres derefter igen. Efter kvantemekanikkens regler, neutronen bevæger sig langs begge veje samtidigt. På den første vej, effekter af inerti ændrer lokalt partikelbølgens bølgelængde. Dette bestemmer, hvordan delbølgerne forstærker og slukker hinanden.

Den største udfordring var designet af den magnetiske spole, som producerer magnetfeltet. Et lille vindue inde i spolen er nødvendigt for at neutronstrålen kan passere igennem. Imidlertid, markegenskaberne skal overholde de strenge betingelser for at fremkalde den ønskede mark. En passende geometri blev identificeret ved hjælp af computersimuleringer. Systemet blev udviklet og testet ved neutronkilden til TU Wien i Wiener Prater, mens de endelige målinger blev udført på ILL i Grenoble, Frankrig.

"Det er fascinerende, at vi inducerede en ren kvanteeffekt, som i første omgang ikke kan forstås klassisk, " påpeger Armin Danner. "Vores intuition burde derfor slet ikke hjælpe os her. Men vi kunne demonstrere for et meget specifikt tilfælde, at det klassiske inertibegreb stadig er gyldigt for neutronspin."