Immagina una ballerina en pointe, ruotando sul proprio asse mentre balla su una giostra rotante. Potrebbe ferirsi quando entrambe le rotazioni si sommano e il momento angolare viene trasferito. Fenomeni simili sono presenti anche nei sistemi di meccanica quantistica?

Dopo anni di preparazione, un team della TU Wien è riuscito a condurre un esperimento in cui lo spin di un neutrone attraversa una regione con un campo magnetico rotante. È stato necessario sviluppare un tipo speciale di bobina per produrre questo campo magnetico rotante. Sebbene lo spin del neutrone non abbia massa e possa essere descritto solo meccanicamente quantistica, presenta una proprietà inerziale. Questi risultati sono stati ora pubblicati in Informazioni quantistiche su Nature Partner Journal .

L'inerzia della rotazione:le grandi ruote continuano a girare

"L'inerzia è una caratteristica onnipresente, " Stephan Sponar dell'Istituto di fisica atomica e subatomica della TU Wien illustra. "Quando ci sediamo su un treno che si muove a velocità costante, non possiamo dire la differenza per un treno parcheggiato alla stazione. Solo quando si cambia il quadro di riferimento, per esempio. quando salti giù dal treno, siamo rallentati. Sentiamo delle forze dovute all'inerzia della nostra massa."

Quando si considerano le rotazioni, le cose sono simili:il momento angolare di un oggetto rotante si conserva finché non viene applicata una coppia esterna. Ma quando si considerano le particelle quantistiche, le cose si complicano:"Le particelle come i neutroni o gli elettroni presentano un tipo speciale di momento angolare:lo spin, "dice Armin Danner, autore principale del documento appena pubblicato.

Lo spin è il momento angolare orbitale intrinseco di una particella elementare. Ci sono somiglianze con la rotazione di un pianeta che ruota attorno al suo asse, ma per molti aspetti questo confronto non regge:lo spin è una proprietà delle particelle puntiformi. Con una mentalità classica, non possono ruotare attorno ad alcun asse. "Lo spin può essere considerato come il momento angolare di un oggetto che è ristretto a un punto, " Dice Armin Danner. Le proprietà di una tale rotazione non si trovano nella nostra vita quotidiana. Ma il formalismo della meccanica quantistica può darci un'idea intuitiva di come funzionano le cose per alcuni casi.

Accoppiamento tra spin e campo magnetico

"Nel lontano 1988, i colleghi hanno già previsto come dovrebbe comportarsi un neutrone quando viene improvvisamente esposto alla rotazione, " Prof. Yuji Hasegawa, capo del gruppo dell'interferometria neutronica, spiega. "Era previsto un accoppiamento tra lo spin del neutrone e un campo magnetico rotante. Ma fino ad ora, nessuno potrebbe dimostrare direttamente questo accoppiamento nella sua forma quantomeccanica. Ci sono voluti anche alcuni anni di lavoro e diversi tentativi per farlo".

Simile a un ballerino che ha una rotazione e attraversa una giostra rotante, il neutrone è esposto a un campo magnetico rotante. Questo campo manipola lo spin, però, gli orientamenti di spin prima e dopo il campo magnetico sono gli stessi. Dopo aver attraversato la regione con il campo magnetico, il momento angolare del neutrone è esattamente lo stesso di prima. L'unica cosa che "è successo" al neutrone è che ha sperimentato effetti di inerzia, rilevabili mediante la meccanica quantistica.

Nella configurazione sperimentale, il fascio di neutroni è diviso in due fasci parziali separati. Uno di loro è esposto a un campo rotante mentre l'altro è inalterato. Entrambi i fasci parziali vengono quindi ricombinati. Seguendo le regole della meccanica quantistica, il neutrone viaggia lungo entrambi i percorsi contemporaneamente. Nel primo percorso, gli effetti dell'inerzia modificano localmente la lunghezza d'onda dell'onda-particella. Questo determina come le onde parziali si amplificano e si estinguono a vicenda.

La sfida più grande è stata la progettazione della bobina magnetica che produce il campo magnetico. È necessaria una piccola finestra all'interno della bobina per il passaggio del fascio di neutroni. Però, le proprietà del campo devono soddisfare le condizioni rigorose per indurre il campo desiderato. Una geometria adatta è stata identificata con l'aiuto di simulazioni al computer. Il sistema è stato sviluppato e testato presso la sorgente di neutroni della TU Wien nel Prater di Vienna mentre le misure finali sono state condotte presso l'ILL di Grenoble, Francia.

"È affascinante che abbiamo indotto un puro effetto quantistico che all'inizio non può essere compreso in modo classico, " sottolinea Armin Danner. "La nostra intuizione non dovrebbe quindi aiutarci affatto qui. Ma potremmo dimostrare per un caso molto specifico che il concetto classico di inerzia è ancora valido per lo spin dei neutroni".