Föreställ dig en dansare en pointe, snurrar på sin egen axel medan hon dansar på en roterande karusell. Hon kan skada sig själv när båda rotationerna summerar och rörelsemängden överförs. Finns liknande fenomen också i kvantmekaniska system?

Efter år av förberedelser, ett team vid TU Wien lyckades genomföra ett experiment där en neutrons spinn går genom ett område med ett roterande magnetfält. En speciell sorts spole måste utvecklas för att producera detta roterande magnetfält. Även om neutronspinnet inte bär någon massa och bara kan beskrivas kvantmekaniskt, den uppvisar en tröghetsegenskap. Dessa resultat har nu publicerats i Nature Partner Journal Quantum Information .

Rotationens tröghet:Stora hjul fortsätter att svänga

"Tröghet är en allestädes närvarande egenskap, Stephan Sponar från Institutet för atom- och subatomär fysik vid TU Wien illustrerar. "När vi sitter på ett tåg som rör sig med konstant hastighet, vi kan inte se skillnad på ett tåg som står parkerat vid stationen. Endast när du ändrar referensramen, t.ex. när man hoppar av tåget, vi bromsas in. Vi känner krafter på grund av trögheten i vår massa."

När rotationer beaktas, saker och ting liknar varandra:vinkelmomentet för ett roterande föremål bevaras så länge som inget yttre vridmoment appliceras. Men när man överväger kvantpartiklar, saker och ting blir mer komplicerade:"Partiklar som neutroner eller elektroner har en speciell typ av rörelsemängd - spinn, säger Armin Danner, huvudförfattare till den nyligen publicerade tidningen.

Spinn är den inneboende orbitala vinkelmomentet för en elementarpartikel. Det finns likheter med rotationen av en planet som roterar runt sin axel, men i många avseenden håller denna jämförelse inte:spinnet är en egenskap hos punktlika partiklar. Med ett klassiskt tänk, de kan inte rotera kring någon axel. "Spin kan betraktas som rörelsemängden för ett föremål som är begränsat till en punkt, " säger Armin Danner. Egenskaperna hos ett sådant spinn återfinns inte i vårt vardagliga liv. Men kvantmekanikens formalism kan ge oss en intuitiv uppfattning om hur saker och ting fungerar i vissa fall.

Koppling mellan spinn och magnetfält

"Långt tillbaka 1988, kollegor har redan förutspått hur en neutron skulle bete sig när den plötsligt utsätts för rotation, " Prof. Yuji Hasegawa, chef för neutroninterferometrigruppen, förklarar. "En koppling mellan neutronspinnet och ett roterande magnetfält förutspåddes. Men fram till nu, ingen kunde direkt demonstrera denna koppling i dess kvantmekaniska form. Det tog oss också några års arbete och flera försök att göra det."

Liknar en dansare som har snurr och korsar en roterande karusell, neutronen utsätts för ett roterande magnetfält. Detta fält manipulerar snurran, dock, spinnorienteringarna före och efter magnetfältet är desamma. Efter att ha korsat området med magnetfältet, neutronens rörelsemängd är exakt detsamma som tidigare. Det enda som "hände" neutronen är att den upplevde tröghetseffekter, som är detekterbara med hjälp av kvantmekanik.

I experimentuppställningen, neutronstrålen delas upp i två separerade delstrålar. En av dem utsätts för ett roterande fält medan den andra är opåverkad. Båda delbalkarna kombineras sedan om. Följer kvantmekanikens regler, neutronen färdas längs båda banorna samtidigt. På den första vägen, effekter av tröghet ändrar lokalt våglängden för partikelvågen. Detta avgör hur partialvågorna förstärker och släcker varandra.

Den största utmaningen var designen av den magnetiska spolen som producerar magnetfältet. Ett litet fönster inuti spolen behövs för att neutronstrålen ska kunna passera igenom. Dock, Fältegenskaperna måste uppfylla de strikta villkoren för att inducera det önskade fältet. En lämplig geometri identifierades med hjälp av datorsimuleringar. Systemet utvecklades och testades vid neutronkällan till TU Wien i Wiener Prater medan de slutliga mätningarna utfördes vid ILL i Grenoble, Frankrike.

"Det är fascinerande att vi inducerade en ren kvanteffekt som till en början inte kan förstås klassiskt, " Armin Danner påpekar. "Vår intuition borde därför inte hjälpa oss här alls. Men vi skulle kunna visa för ett mycket specifikt fall att det klassiska tröghetsbegreppet fortfarande är giltigt för neutronspinnet."