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Le particelle possono muoversi come onde lungo percorsi diversi contemporaneamente:questa è una delle scoperte più importanti della fisica quantistica. Un esempio particolarmente impressionante è l'interferometro di neutroni:i neutroni vengono sparati contro un cristallo, l'onda di neutroni viene divisa in due porzioni, che vengono poi nuovamente sovrapposte l'una all'altra. Si può osservare un caratteristico schema di interferenza, che dimostra le proprietà ondulatorie della materia.
Tali interferometri di neutroni hanno svolto un ruolo importante per le misurazioni di precisione e la ricerca di fisica fondamentale per decenni. Tuttavia, le loro dimensioni sono state finora limitate perché funzionavano solo se scolpite da un unico pezzo di cristallo. Dagli anni '90, sono stati fatti anche tentativi per produrre interferometri da due cristalli separati, ma senza successo. Ora un team di TU Wien, INRIM Torino e ILL Grenoble ha raggiunto proprio questa impresa, utilizzando una piattaforma tip-tilt ad alta precisione per l'allineamento dei cristalli. Ciò apre possibilità completamente nuove per le misurazioni quantistiche, inclusa la ricerca sugli effetti quantistici in un campo gravitazionale.
Il primo passo nel 1974
La storia dell'interferometria neutronica inizia nel 1974 a Vienna. Helmut Rauch, per molti anni professore all'Istituto Atomico della TU Wien, ha creato il primo interferometro di neutroni da un cristallo di silicio ed è stato in grado di osservare la prima interferenza di neutroni nel reattore TRIGA di Vienna. Alcuni anni dopo, la TU Wien ha allestito una stazione di interferometria permanente, la S18, presso la sorgente di neutroni più potente del mondo, l'Institut Laue-Langevin (ILL) a Grenoble. Questa configurazione è operativa fino ai giorni nostri.
"Il principio dell'interferometro è simile al famoso esperimento della doppia fenditura, in cui una particella viene sparata a una doppia fenditura in modo ondulatorio, passa attraverso entrambe le fenditure contemporaneamente come un'onda e poi si sovrappone a se stessa, in modo che in seguito un caratteristico schema d'onda viene creato sul rivelatore", afferma Hartmut Lemmel (TU Wien).
Ma mentre nell'esperimento della doppia fenditura le due fenditure sono solo a una distanza minima l'una dall'altra, nell'interferometro di neutroni le particelle sono divise in due percorsi diversi con diversi centimetri di distanza. L'onda della particella raggiunge una dimensione macroscopica, tuttavia, sovrapponendo i due percorsi, viene creato un modello d'onda che dimostra chiaramente che la particella non ha scelto uno dei due percorsi, ma ha utilizzato entrambi i percorsi contemporaneamente.
Qualsiasi imprecisione può distruggere il risultato
Le sovrapposizioni quantistiche in un interferometro di neutroni sono estremamente fragili. "Piccole imprecisioni, vibrazioni, spostamenti o rotazioni del cristallo distruggono l'effetto", afferma Hartmut Lemmel. "Ecco perché di solito si macina l'intero interferometro da un singolo cristallo." In un cristallo, tutti gli atomi sono collegati tra loro e hanno una relazione spaziale fissa tra loro, così puoi ridurre al minimo l'influenza dei disturbi esterni sull'onda di neutroni.
Ma questo design monolitico limita le possibilità, perché i cristalli non possono essere realizzati in nessuna dimensione. "Negli anni '90, le persone hanno quindi cercato di creare interferometri di neutroni da due cristalli che potevano quindi essere posizionati a una distanza maggiore l'uno dall'altro", afferma Lemmel, "ma non ha avuto successo. L'allineamento dei due cristalli l'uno contro l'altro non ha raggiunto la precisione richiesta."
Estreme richieste di accuratezza
Le esigenze di precisione sono estreme. Quando un cristallo dell'interferometro viene spostato di un singolo atomo, lo schema di interferenza si sposta di un intero periodo. Se uno dei cristalli viene ruotato di un angolo dell'ordine di centomilionesimo di grado, lo schema di interferenza viene distrutto. La precisione angolare richiesta corrisponde all'incirca a sparare una particella da Vienna a Grenoble e mirare a una capocchia di spillo, a 900 chilometri di distanza, o mirare a una copertura di drenaggio sulla Luna.
L'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) di Torino ha fornito le tecnologie necessarie, sviluppate nel corso di decenni nel campo dell'interferometria combinata ottica e a raggi X. 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 . + Esplora ulteriormente
