Esta es una placa de fase esquemática para impartir unidades cuánticas extra de momento angular orbital

Es fácil de 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 primarios; se 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 interferencia.

Es más difícil de comprender el comportamiento de las ondas de las cosas suele considerar como partículas, como los electrones y los átomos. Y sin embargo, estas ondas de materia juegan un papel en la física y en la tecnología. Por ejemplo, haces de electrones, que se manifiestan en forma de ondas, proporcionan una importante forma de microscopía.

Los neutrones, un constituyente básico de los núcleos atómicos, tienen propiedades de onda que se emplean en una variedad de áreas de investigación tales como la determinación de la estructura de los materiales. Un experimento reciente proporciona un nuevo identificador para el control de neutrones demostrando que una variable cuántica llamada momento angular orbital es accesible en haces de ondas de neutrones, y que puede ser manipulado para su uso en formación de imágenes de neutrones y de procesamiento de información cuántica.

Este trabajo se llevó a cabo gracias a la colaboración de científicos del Instituto de Computación Cuántica (IQC: Universidad de Waterloo, Canadá), el Instituto Cuántico Conjunto (JQI), el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), la Universidad de Boston y el Instituto Perímetro . Los resultados se resumen en un artículo publicado en el año 2015 de 24 de septiembre de emisión de journalNature. Un ensayo, escrito por un científico independiente, acompaña el artículo.

Momento angular orbital
El momento angular en la física se define como el impulso de un objeto por su distancia desde un centro (un punto o eje) en torno al cual opera el impulso. Por ejemplo, el momento angular orbital (OAM) de un planeta que va alrededor del sol es el impulso del planeta veces su distancia del sol. el momento angular orbital se encuentra también en el movimiento de las olas. Además de su movimiento familiar como frentes de onda paralelas a lo largo una dirección, olas también pueden sacacorchos en torno a su dirección de propagación. El sacacorchos o vórtice momento angular orbital (OAM) se ha demostrado previamente para haces de luz, y electrones de rayos x. Se espera que el uso de tales haces para ser aplicado en el estudio de la óptica y de rayos x microscopía, astronomía, la micromanipulación de partículas, la multiplexación / demultiplexación de las ondas con diferentes OAM en un canal común de comunicación, la litografía, y la manipulación de estados cuánticos.

CONFIGURACIÓN EXPERIMENTAL
Para probar estas ideas con las ondas de neutrones, el equipo investigador realizó experimentos de interferencia de los 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 la pantalla de un teléfono inteligente. Este flujo de neutrones se distribuye entre una docena de experimentos fuera del reactor. Sólo alrededor de 10 neutrones por segundo fuera del flujo total del reactor pasan a través del interferómetro de neutrones usado en el experimento. Dado que cada neutrón tarda sólo unos 50 microsegundos para pasar a través del interferómetro, casi nunca hay más de una de neutrones presentes en ella. De hecho, cuando un neutrón se encuentra en el interferómetro, su sucesor haya por lo general ni siquiera ha nacido en el reactor nuclear. por lo tanto neutrones interfieren en la manera que Paul Dirac describe la interferencia de la luz: “Cada fotón interfiere solamente con sí mismo. La interferencia entre dos fotones diferentes nunca ocurre “.

Como una 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 se encuentra con la primera hoja del interferómetro, se divide en dos trayectorias. Cada uno de los caminos se encuentra con una segunda hoja, que actúa como un espejo. Los dos caminos se funden e interfieren en tercera hoja. Se observa la interferencia resultante usando dos detectores de neutrones.

El interferómetro de neutrones es de unos 10 centímetros de largo, por lo que la función de onda de neutrones se extiende sobre un aparato que es de 300 millones de veces el tamaño de su longitud de onda DeBroglie. Un interferómetro óptico que tenía la misma relación de longitud de trayectoria a la longitud de onda tendría que ser el 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 se puede cambiar girando la fase de la función de onda de neutrones. Esto se logra usando una propiedad contrario a la intuición de neutrones: viajan más rápido a través de algunos de los materiales que lo hacen a través de un vacío.

“Eso es una locura consecuencia de la mecánica cuántica”, dice el co-autor 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, neutrones pasan a través de una “placa de fase espiral” de aluminio, una miniatura,, escalera de caracol tamaño de una moneda. En términos clásicos, el tiempo que tarda un neutrón para viajar a través de la placa de la parte superior de la escalera es de 200 femtosegundos menor que el tiempo para viajar a través de la parte inferior de la escalera. “No es un gran efecto”, añade Clark, “pero es lo suficientemente bueno para el trabajo del Gobierno”. Esta diferencia clásica en los tiempos de tránsito se corresponde con el “toque” 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 hoja y enviadas hacia dos detectores. La onda de neutrones puede ser pensado como siendo extendido a través de todo el aparato, hasta que entra en los detectores. A continuación, se detecta el neutrón – en un detector o la otra – por un proceso destructivo y violento: es absorbido por un núcleo, que se divide en fragmentos cuyas energías se convierten en señales ópticas y eléctricas.

Es una de las características notables de la realidad cuántica que a pesar de las llegadas de neutrones se registran uno por uno, el mirado-para patrón característico correspondiente a la interferencia de onda de neutrones en el aparato debe surgir mediante la integración de las ubicaciones detectadas de muchos neutrones individuales que llegan sobre el curso de una semana de una prueba experimental. Esta información de posición se obtiene por un detector de dos dimensiones (2D). El patrón observado muestra la característica de una forma esperaría para las ondas de neutrones con exactamente el momento angular orbital impuesta por la placa de fase.

“Hemos explotado una variable cuántica – momento angular orbital – que antes no estaba disponible para su uso en el procesamiento de información cuántica a base de neutrones y de imagen”, dice Dmitry Metiendo (CIC), el investigador principal del proyecto. “Mediante el uso de la interferometría de neutrones, hemos demostrado la suma y la conservación de los momentos angulares cuántica, y se han enredado los caminos cuánticos y momento angular orbital de neutrones, que son partículas masivas de forma única y penetrantes cuántica.”

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