Imagina una bailarina en punta girando sobre su propio eje mientras baila en un carrusel giratorio. Podría lesionarse cuando ambas rotaciones se sumen y se transfiera el momento angular. ¿Están también presentes fenómenos similares en los sistemas de mecánica cuántica?

Después de años de preparación, un equipo de la TU Wien logró realizar un experimento en el que el giro de un neutrón atraviesa una región con un campo magnético giratorio. Se tuvo que desarrollar un tipo especial de bobina para producir este campo magnético giratorio. Aunque el espín del neutrón no tiene masa y solo puede describirse mecánicamente cuántica, exhibe una propiedad inercial. Estos resultados ahora se han publicado en Nature Partner Journal Información cuántica .

La inercia de la rotación:las ruedas grandes siguen girando

"La inercia es una característica omnipresente, "Stephan Sponar del Instituto de Física Atómica y Subatómica en TU Wien ilustra." Cuando nos sentamos en un tren que se mueve a velocidad constante, no podemos notar la diferencia con un tren estacionado en la estación. Solo al cambiar el marco de referencia, p.ej. al saltar del tren, estamos desacelerados. Sentimos fuerzas debido a la inercia de nuestra masa ".

Cuando se consideran rotaciones, las cosas son similares:el momento angular de un objeto en rotación se conserva mientras no se aplique un par externo. Pero al considerar las partículas cuánticas, las cosas se vuelven más complicadas:"Las partículas como los neutrones o los electrones presentan un tipo especial de momento angular:el giro, "dice Armin Danner, autor principal del artículo recién publicado.

Spin es el momento angular orbital intrínseco de una partícula elemental. Hay similitudes con la rotación de un planeta que gira sobre su eje, pero en muchos aspectos esta comparación no es válida:el giro es una propiedad de las partículas puntuales. Con una mentalidad clásica no pueden girar sobre ningún eje. "El giro se puede considerar como el momento angular de un objeto que está restringido a un punto, ", Dice Armin Danner. Las propiedades de tal giro no se encuentran en nuestra vida cotidiana. Pero el formalismo de la mecánica cuántica puede darnos una idea intuitiva de cómo funcionan las cosas en algunos casos.

Acoplamiento entre giro y campo magnético

"Allá por 1988, colegas ya predijeron cómo debería comportarse un neutrón cuando se expone repentinamente a la rotación, "Prof. Yuji Hasegawa, jefe del grupo de interferometría de neutrones, explica. "Se predijo un acoplamiento entre el espín de neutrones y un campo magnético giratorio. Pero hasta ahora, nadie pudo demostrar directamente este acoplamiento en su forma mecánica cuántica. También nos llevó algunos años de trabajo y varios intentos para lograrlo ".

Similar a una bailarina que gira y cruza un carrusel giratorio, el neutrón está expuesto a un campo magnético giratorio. Este campo manipula el giro, sin embargo, las orientaciones de espín antes y después del campo magnético son las mismas. Después de atravesar la región con el campo magnético, el momento angular del neutrón es exactamente el mismo que antes. Lo único que le "sucedió" al neutrón es que experimentó efectos de inercia, que son detectables por medio de la mecánica cuántica.

En la configuración experimental, el haz de neutrones se divide en dos haces parciales separados. Uno de ellos está expuesto a un campo giratorio mientras que el otro no se ve afectado. A continuación, se recombinan ambos haces parciales. Siguiendo las reglas de la mecánica cuántica, el neutrón viaja a lo largo de ambos caminos simultáneamente. En el primer camino Los efectos de la inercia cambian localmente la longitud de onda de la onda de partícula. Esto determina cómo las ondas parciales se amplifican y se extinguen entre sí.

El mayor desafío fue el diseño de la bobina magnética que produce el campo magnético. Se necesita una pequeña ventana dentro de la bobina para que pase el haz de neutrones. Sin embargo, las propiedades del campo deben cumplir con las condiciones estrictas para inducir el campo deseado. Se identificó una geometría adecuada con la ayuda de simulaciones por computadora. El sistema fue desarrollado y probado en la fuente de neutrones del TU Wien en el Prater de Viena, mientras que las mediciones finales se llevaron a cabo en el ILL en Grenoble. Francia.

"Es fascinante que hayamos inducido un efecto cuántico puro que al principio no se puede entender de manera clásica, "Señala Armin Danner." Por lo tanto, nuestra intuición no debería ayudarnos en absoluto. Pero podríamos demostrar para un caso muy específico que el concepto clásico de inercia sigue siendo válido para el espín de neutrones ".