Las partículas pueden moverse como ondas a lo largo de diferentes caminos al mismo tiempo; este es uno de los hallazgos más importantes de la física cuántica. Un ejemplo particularmente impresionante es el interferómetro de neutrones:los neutrones se disparan contra un cristal, la onda de neutrones se divide en dos porciones, que luego se superponen entre sí. Se puede observar un patrón de interferencia característico, que prueba las propiedades ondulatorias de la materia.

Estos interferómetros de neutrones han desempeñado un papel importante para las mediciones de precisión y la investigación de la física fundamental durante décadas. Sin embargo, su tamaño ha sido limitado hasta ahora porque solo funcionaban si se tallaban en una sola pieza de cristal. Desde la década de 1990, también se han realizado intentos para producir interferómetros a partir de dos cristales separados, pero sin éxito. Ahora, un equipo de TU Wien, INRIM Turin e ILL Grenoble ha logrado precisamente esta hazaña, utilizando una plataforma de inclinación de punta de alta precisión para la alineación del cristal. Esto abre posibilidades completamente nuevas para las mediciones cuánticas, incluida la investigación sobre los efectos cuánticos en un campo gravitatorio.

El primer paso en 1974

La historia de la interferometría de neutrones comenzó en 1974 en Viena. Helmut Rauch, durante muchos años profesor en el Instituto Atómico de TU Wien, creó el primer interferómetro de neutrones a partir de un cristal de silicio y pudo observar la primera interferencia de neutrones en el reactor TRIGA de Viena. Unos años más tarde, la TU Wien instaló una estación de interferometría permanente, la S18, en la fuente de neutrones más poderosa del mundo, el Institut Laue-Langevin (ILL) en Grenoble. Esta configuración está operativa hasta el día de hoy.

"El principio del interferómetro es similar al famoso experimento de la doble rendija, en el que se dispara una partícula en una doble rendija en forma de onda, pasa a través de ambas rendijas simultáneamente como una onda y luego se superpone a sí misma, de modo que luego se crea un patrón de onda característico en el detector", dice Hartmut Lemmel (TU Wien).

Pero mientras que en el experimento de la doble rendija las dos rendijas están separadas por una distancia mínima, en el interferómetro de neutrones las partículas se dividen en dos caminos diferentes con varios centímetros entre ellos. La onda de la partícula alcanza un tamaño macroscópico; sin embargo, al superponer los dos caminos, se crea un patrón de onda que prueba claramente que la partícula no eligió uno de los dos caminos, sino que usó ambos caminos simultáneamente.

Cualquier imprecisión puede destruir el resultado

Las superposiciones cuánticas en un interferómetro de neutrones son extremadamente frágiles. "Pequeñas imprecisiones, vibraciones, desplazamientos o rotaciones del cristal destruyen el efecto", dice Hartmut Lemmel. "Es por eso que generalmente fresas todo el interferómetro de un solo cristal". En un cristal, todos los átomos están conectados entre sí y tienen una relación espacial fija entre sí, por lo que puede minimizar la influencia de las perturbaciones externas en la onda de neutrones.

Pero este diseño monolítico limita las posibilidades, porque los cristales no se pueden fabricar en ningún tamaño. "En la década de 1990, la gente intentó crear interferómetros de neutrones a partir de dos cristales que luego podrían colocarse a una distancia mayor entre sí", dice Lemmel, "pero no tuvo éxito. La alineación de los dos cristales uno contra el otro no alcanzó la precisión requerida".

Exigencias extremas de precisión

Las demandas de precisión son extremas. Cuando un cristal del interferómetro es desplazado por un solo átomo, el patrón de interferencia cambia por un período completo. Si uno de los cristales se gira en un ángulo del orden de una cien millonésima de grado, se destruye el patrón de interferencia. La precisión angular requerida corresponde aproximadamente a disparar una partícula desde Viena a Grenoble y apuntar a la cabeza de un alfiler, a 900 kilómetros de distancia, o apuntar a una tapa de desagüe en la Luna.

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 . + Explora más

One particle on two paths:Quantum physics is right