Фізики виявили нове квантове явище - об'єднання спина і моменту обертання квантової частинки

Mar 05 8:00 2020 Друк цієї статті

При деякому невезіння для цієї танцівниці в певний момент часу її власний момент обертання може скластися з моментом обертання каруселі, і на її тіло буде впливати навантаження, яка може призвести до травми. Вчені з Віденського технологічного університету (TU Wien) виявили, що подібне явище може виникати і в квантовомеханических системах, а виявлено це було в ході експерименту, в якому обертається навколо своєї осі нейтрон перетинав обертове магнітне поле.

Нагадаємо нашим читачам, що під поняттям спина елементарної частинки мається на увазі кутовий момент її орбітального обертання. "В даному випадку спін - це кутовий момент обертання об'єкта, близького за розмірами до нескінченно малої точці" - пишуть дослідники, - "Подібні речі практично не проявляються в нашому повсякденному житті, але закони квантової механіки дають нам можливість зрозуміти, як це все працює в деяких випадках".

Ще в 1988 році вчені передбачили, як повинен себе вести нейтрон, потрапивши всередину обертається середовища (магнітного поля зокрема). У цьому випадку має відбутися об'єднання спина нейтрона і моменту обертання магнітного поля, але до останнього часу нікому не вдавалося продемонструвати це експериментально. "Нам же для цього знадобилося кілька років роботи і декілька не дуже вдалих спроб" - пишуть дослідники.

В експериментах нейтрон, подібно обертового танцюристу на обертовій каруселі, перетинає область, в якій за допомогою спеціальної котушки створюється обертове магнітне поле. При цьому, спін нейтрона до входу в магнітне поле і після виходу з нього залишається незмінним. Інерційні ефекти, що впливають на нейтрон, проявляються тільки в області магнітного поля і це можна виявити тільки за допомогою квантової механіки.

У надрах дослідної установки нейтронний промінь розщеплюється на два незалежних променя. Один з цих променів проходить через область обертового магнітного поля, а другий не піддається ніяким зовнішнім впливам. Після цього обидва променя знову об'єднуються в один промінь. Якщо розглядати якийсь окремий нейтрон, то він, згідно змінам квантової механіки, перебуває одночасно в двох розщеплених променях, і в першому лучі інерціальні ефекти трохи змінюють довжину хвилі хвильової складової цієї квантової частинки. В результаті цього після складання променів хвилі або посилюють, або гасять один одного, створюючи картину зразок інтерференційної.

Найбільш складним завданням, з якою довелося зіткнутися дослідникам, стала конструкція котушки, здатної виробляти обертове магнітне поле. При цьому, в самій котушці має бути маленьке віконце, через яке нейтронний промінь проникав в область створюваного нею магнітного поля. Відповідна геометрії обмоток цієї котушки була отримана за допомогою комп'ютерного моделювання, а система була виготовлена і спочатку випробувана на джерело нейтронів у Віденському технологічному університеті. Остаточні ж експерименти та вимірювання проводилися на установці ILL, Гренобль, Франція.

"Під час наших експериментів ми відтворили чисто квантово-механічний ефект, який навіть не може бути зрозумілий з точки зору класичної фізики", - пишуть дослідники, "Поки ми ще не знаємо і навіть не можемо припустити, в яких практичних областях це все може бути використано. Але виявлений нами ефект реально існує і пошуки області застосування для нього тепер є тільки справою часу".