Stel je een danser en pointe voor, draaiend om haar eigen as terwijl ze danst op een draaiende carrousel. Ze kan zichzelf verwonden wanneer beide rotaties optellen en het impulsmoment wordt overgedragen. Zijn soortgelijke verschijnselen ook aanwezig in kwantummechanische systemen?

Na jaren van voorbereiding, een team van de TU Wien is erin geslaagd een experiment uit te voeren waarbij de spin van een neutron door een gebied met een roterend magnetisch veld gaat. Er moest een speciaal soort spoel worden ontwikkeld om dit roterende magnetische veld te produceren. Hoewel de neutronenspin geen massa draagt ​​en alleen kwantummechanisch kan worden beschreven, het vertoont een traagheidseigenschap. Deze resultaten zijn nu gepubliceerd in Natuur Partner Journal Quantum Informatie .

De traagheid van rotatie:grote wielen blijven draaien

"Traagheid is een alomtegenwoordig kenmerk, Stephan Sponar van het Instituut voor Atoom- en Subatomaire Fysica aan de TU Wien illustreert. "Als we in een trein zitten die met constante snelheid rijdt, we kunnen het verschil niet zien met een trein die op het station geparkeerd staat. Alleen bij het wijzigen van het referentiekader, bijv. bij het uit de trein springen, we zijn vertraagd. We voelen krachten als gevolg van de traagheid van onze massa."

Wanneer rotaties worden overwogen, dingen zijn vergelijkbaar:het impulsmoment van een roterend object blijft behouden zolang er geen extern koppel wordt toegepast. Maar als we kijken naar kwantumdeeltjes, dingen worden ingewikkelder:"Deeltjes zoals neutronen of elektronen hebben een speciaal soort impulsmoment - de spin, " zegt Armin Danner, hoofdauteur van het nieuw gepubliceerde artikel.

Spin is het intrinsieke baanimpulsmoment van een elementair deeltje. Er zijn overeenkomsten met de rotatie van een planeet die om zijn as draait, maar in veel opzichten gaat deze vergelijking niet op:de spin is een eigenschap van puntachtige deeltjes. Met een klassieke mentaliteit, ze kunnen niet om een ​​as draaien. "Spin kan worden beschouwd als het impulsmoment van een object dat is vernauwd tot een punt, " zegt Armin Danner. De eigenschappen van zo'n spin zijn niet te vinden in ons dagelijks leven. Maar het formalisme van de kwantummechanica kan ons een intuïtief idee geven hoe dingen in sommige gevallen werken.

Koppeling tussen spin en magnetisch veld

"In 1988, collega's voorspelden al hoe een neutron zich zou moeten gedragen als het plotseling wordt blootgesteld aan rotatie, " Prof. Yuji Hasegawa, hoofd van de neutroneninterferometriegroep, verklaart. "Er werd een koppeling voorspeld tussen de neutronenspin en een roterend magnetisch veld. Maar tot nu toe, niemand kon deze koppeling direct in zijn kwantummechanische vorm aantonen. Het kostte ons ook een paar jaar werk en verschillende pogingen om dat te doen."

Vergelijkbaar met een danser die spin heeft en een roterende carrousel kruist, het neutron wordt blootgesteld aan een roterend magnetisch veld. Dit veld manipuleert de spin, echter, de spin-oriëntaties voor en na het magnetische veld zijn hetzelfde. Na het doorkruisen van het gebied met het magnetische veld, het impulsmoment van het neutron is precies hetzelfde als voorheen. Het enige dat met het neutron is 'gebeurd', is dat het effecten van traagheid ervoer, die detecteerbaar zijn door middel van kwantummechanica.

In de proefopstelling is de neutronenbundel wordt gesplitst in twee gescheiden deelbundels. Een van hen wordt blootgesteld aan een roterend veld, terwijl de andere onaangetast is. Beide deelbalken worden dan opnieuw gecombineerd. Volgens de regels van de kwantummechanica, het neutron reist tegelijkertijd langs beide paden. In het eerste pad, effecten van traagheid veranderen lokaal de golflengte van de deeltjesgolf. Dit bepaalt hoe de deelgolven elkaar versterken en uitdoven.

De grootste uitdaging was het ontwerp van de magnetische spoel die het magnetische veld produceert. Er is een klein venster in de spoel nodig om de neutronenbundel door te laten. Echter, de veldeigenschappen moeten voldoen aan de strikte voorwaarden om het gewenste veld op te wekken. Met behulp van computersimulaties werd een geschikte geometrie geïdentificeerd. Het systeem is ontwikkeld en getest bij de neutronenbron van de TU Wien in het Weense Prater terwijl de laatste metingen werden uitgevoerd bij het ILL in Grenoble, Frankrijk.

"Het is fascinerend dat we een puur kwantumeffect hebben veroorzaakt dat in eerste instantie niet klassiek kan worden begrepen, Armin Danner merkt op. "Onze intuïtie zou ons hier dus helemaal niet moeten helpen. Maar we zouden voor een heel specifiek geval kunnen aantonen dat het klassieke concept van traagheid nog steeds geldig is voor de neutronenspin."