En kvantebølge i to krystaller

Partikler kan bevæge sig som bølger langs forskellige veje på samme tid - dette er et af kvantefysikkens vigtigste fund. Et særligt imponerende eksempel er neutroninterferometeret:neutroner affyres mod en krystal, neutronbølgen opdeles i to dele, som så lægges oven på hinanden igen. Et karakteristisk interferensmønster kan observeres, som beviser stofs bølgeegenskaber.

Sådanne neutroninterferometre har spillet en vigtig rolle for præcisionsmålinger og grundlæggende fysikforskning i årtier. Imidlertid har deres størrelse været begrænset indtil videre, fordi de kun fungerede, hvis de var udskåret fra et enkelt stykke krystal. Siden 1990'erne er der også blevet gjort forsøg på at fremstille interferometre fra to separate krystaller - men uden held. Nu har et hold fra TU Wien, INRIM Turin og ILL Grenoble opnået netop denne bedrift ved at bruge en højpræcision tip-tilt-platform til krystaljusteringen. Dette åbner helt nye muligheder for kvantemålinger, herunder forskning i kvanteeffekter i et gravitationsfelt.

Det første skridt i 1974

Historien om neutroninterferometri begyndte i 1974 i Wien. Helmut Rauch, i mange år professor ved Atomic Institute of TU Wien, skabte det første neutroninterferometer ud fra en siliciumkrystal og var i stand til at observere den første interferens af neutroner ved TRIGA-reaktoren i Wien. Et par år senere oprettede TU Wien en permanent interferometristation, S18, ved verdens kraftigste neutronkilde, Institut Laue-Langevin (ILL) i Grenoble. Denne opsætning er operationel indtil i dag.

"Interferometerets princip ligner det berømte dobbeltspalte-eksperiment, hvor en partikel skydes på en dobbeltspalte på en bølgelignende måde, passerer gennem begge spalter samtidigt som en bølge og overlejrer sig selv, så bagefter der skabes et karakteristisk bølgemønster ved detektoren," siger Hartmut Lemmel (TU Wien).

Men mens de to spalter i dobbeltspalteforsøget kun er en minimal afstand fra hinanden, er partiklerne i neutroninterferometeret delt i to forskellige baner med flere centimeter imellem. Partikelbølgen når en makroskopisk størrelse - ikke desto mindre, ved at overlejre de to baner, skabes et bølgemønster, der tydeligt beviser, at partiklen ikke valgte en af ​​de to veje, den brugte begge veje samtidigt.

Enhver unøjagtighed kan ødelægge resultatet

Kvantesuperpositionerne i et neutroninterferometer er ekstremt skrøbelige. "Små unøjagtigheder, vibrationer, forskydninger eller rotationer af krystallen ødelægger effekten," siger Hartmut Lemmel. "Det er derfor, man normalt fræser hele interferometeret ud af en enkelt krystal." I en krystal er alle atomer forbundet med hinanden og har et fast rumligt forhold til hinanden – så du kan minimere påvirkningen af ​​eksterne forstyrrelser på neutronbølgen.

Men dette monolitiske design begrænser mulighederne, fordi krystaller ikke kan laves i nogen størrelse. "Tilbage i 1990'erne forsøgte man derfor at skabe neutroninterferometre ud af to krystaller, som så kunne placeres i større afstand fra hinanden," siger Lemmel, "men det lykkedes ikke. Justeringen af ​​de to krystaller mod hinanden ikke nåede den krævede nøjagtighed."

Ekstreme krav til nøjagtighed

Kravene til nøjagtighed er ekstreme. Når en krystal af interferometeret forskydes af et enkelt atom, skifter interferensmønsteret med en hel periode. Hvis en af ​​krystallerne drejes med en vinkel i størrelsesordenen en hundrede milliontedel af en grad, ødelægges interferensmønsteret. Den nødvendige vinkelpræcision svarer nogenlunde til at skyde en partikel fra Wien til Grenoble og sigte mod et knappenålshoved, 900 kilometer fra hinanden – eller sigte mod et drændæksel på Månen.

The Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) in Turin provided the necessary technologies, which it had developed over decades in the field of combined optical and X-ray interferometry. Scanning X-ray interferometers also consist of separate silicon crystals and are similarly sensitive. The sensitivity to the spatial displacement of a crystal was used in Turin to determine the lattice constant of silicon with unprecedented accuracy. This result allows for the possibility of counting the atoms of a macroscopic silicon sphere, determining the Avogadro and Planck constants and redefining the kilogram.

"Although the required accuracy is even more severe for neutrons, what worked with separate crystal X-ray interferometers should also work with separate crystal neutron interferometers," says Enrico Massa from INRIM. With an additional built-in laser interferometer, vibration damping, temperature stabilization and INRIM's overseeing of the crystals' assembly and alignment, the collaboration has finally succeeded in detecting neutron interference in a system of two separate crystals.

Important for fundamental research

"This is an important breakthrough for neutron interferometry," says Michael Jentschel from the ILL. "Because if you can control two crystals well enough that interferometry is possible, you can also increase the distance and expand the size of the overall system quite easily."

For many experiments, this total size determines the accuracy that can be achieved in the measurement. It will become possible to investigate fundamental interactions with unprecedented accuracy—for example, the sensitivity of neutrons to gravity in the quantum regime and to hypothetical new forces.

The research was published in the Journal of Applied Crystallography . + Udforsk yderligere

One particle on two paths:Quantum physics is right