Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Partiklar kan röra sig som vågor längs olika banor samtidigt - detta är ett av kvantfysikens viktigaste fynd. Ett särskilt imponerande exempel är neutroninterferometern:neutroner avfyras mot en kristall, neutronvågen delas upp i två delar, som sedan överlagras på varandra igen. Ett karakteristiskt interferensmönster kan observeras, vilket bevisar materiens vågegenskaper.
Sådana neutroninterferometrar har spelat en viktig roll för precisionsmätningar och grundläggande fysikforskning i årtionden. Deras storlek har dock varit begränsad hittills eftersom de bara fungerade om de var ristade från en enda bit kristall. Sedan 1990-talet har det också gjorts försök att tillverka interferometrar från två separata kristaller – men utan framgång. Nu har ett team från TU Wien, INRIM Turin och ILL Grenoble uppnått just denna bedrift genom att använda en högprecisions tip-tilt-plattform för kristallinriktningen. Detta öppnar helt nya möjligheter för kvantmätningar, inklusive forskning om kvanteffekter i ett gravitationsfält.
Första steget 1974
Neutroninterferometrins historia började 1974 i Wien. Helmut Rauch, under många år professor vid Atominstitutet vid TU Wien, skapade den första neutroninterferometern från en kiselkristall och kunde observera den första interferensen av neutroner vid TRIGA-reaktorn i Wien. Några år senare satte TU Wien upp en permanent interferometristation, S18, vid världens mest kraftfulla neutronkälla, Institut Laue-Langevin (ILL) i Grenoble. Denna inställning är i drift fram till idag.
"Interferometerns princip liknar det berömda dubbelslitsexperimentet, där en partikel skjuts i en dubbelslits på ett vågliknande sätt, passerar genom båda slitsarna samtidigt som en våg och sedan överlagrar sig själv, så att efteråt ett karakteristiskt vågmönster skapas vid detektorn, säger Hartmut Lemmel (TU Wien).
Men medan de två slitsarna i dubbelslitsexperimentet bara är ett minimalt avstånd från varandra, delas partiklarna i neutroninterferometern i två olika banor med flera centimeter emellan. Partikelvågen når en makroskopisk storlek – men genom att lägga de två banorna över varandra skapas ett vågmönster som tydligt bevisar att partikeln inte valde en av de två banorna, den använde båda banorna samtidigt.
Alla felaktigheter kan förstöra resultatet
Kvantöverlagringarna i en neutroninterferometer är extremt ömtåliga. "Små felaktigheter, vibrationer, förskjutningar eller rotationer av kristallen förstör effekten", säger Hartmut Lemmel. "Det är därför man brukar fräsa hela interferometern ur en enda kristall." I en kristall är alla atomer anslutna till varandra och har ett fast rumsligt förhållande till varandra – så att du kan minimera påverkan av externa störningar på neutronvågen.
Men denna monolitiska design begränsar möjligheterna, eftersom kristaller inte kan göras i vilken storlek som helst. "Tillbaka på 1990-talet försökte man därför skapa neutroninterferometrar av två kristaller som sedan kunde placeras på ett större avstånd från varandra", säger Lemmel, "men det var inte framgångsrikt. Inriktningen av de två kristallerna mot varandra inte uppnått den erforderliga noggrannheten."
Extrema krav på noggrannhet
Kraven på noggrannhet är extrema. När en kristall i interferometern förskjuts av en enda atom skiftar interferensmönstret med en hel period. Om en av kristallerna roteras med en vinkel i storleksordningen hundra miljondels grad, förstörs interferensmönstret. Den erforderliga vinkelprecisionen motsvarar ungefär att skjuta en partikel från Wien till Grenoble och sikta på ett knappnålshuvud, 900 kilometer från varandra – eller sikta på ett dräneringsskydd 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 . + Utforska vidare
