Një valë kuantike në dy kristale

Grimcat mund të lëvizin si valë përgjatë shtigjeve të ndryshme në të njëjtën kohë – ky është një nga gjetjet më të rëndësishme të fizikës kuantike. Një shembull veçanërisht mbresëlënës është interferometri i neutronit: neutronet qëllohen në një kristal, vala e neutronit ndahet në dy pjesë, të cilat më pas mbivendosen përsëri mbi njëri-tjetrin. Mund të vërehet një model karakteristik i ndërhyrjes, i cili vërteton vetitë valore të materies.

Interferometra të tillë neutron kanë luajtur një rol të rëndësishëm për matjet precize dhe kërkimet themelore të fizikës për dekada. Megjithatë, madhësia e tyre ka qenë e kufizuar deri më tani, sepse ato funksionuan vetëm nëse gdhendeshin nga një copë kristali i vetëm. Që nga vitet 1990, janë bërë gjithashtu përpjekje për të prodhuar interferometra nga dy kristale të veçantë – por pa sukses. Tani një ekip nga TU Wien, INRIM Torino dhe ILL Grenoble ka arritur pikërisht këtë arritje, duke përdorur një platformë me precizion të lartë me majë për shtrirjen e kristaleve. Kjo hap mundësi krejtësisht të reja për matjet kuantike, duke përfshirë kërkimin mbi efektet kuantike në një fushë gravitacionale.

Historia e interferometrisë së neutronit filloi në 1974 në Vjenë. Helmut Rauch, për shumë vite profesor në Institutin Atomik të TU Wien, krijoi interferometrin e parë të neutronit nga një kristal silikoni dhe ishte në gjendje të vëzhgonte ndërhyrjen e parë të neutroneve në reaktorin TRIGA të Vjenës. Disa vjet më vonë, TU Wien ngriti një stacion të përhershëm interferometri, S18, në burimin më të fuqishëm të neutronit në botë, Institut Laue-Langevin (ILL) në Grenoble. Ky konfigurim është funksional deri në ditët e sotme.

“Parimi i interferometrit është i ngjashëm me eksperimentin e famshëm me dy çarje, në të cilin një grimcë qëllohet në një çarje të dyfishtë në mënyrë të ngjashme me valën, kalon nëpër të dy çarjet njëkohësisht si valë dhe më pas mbivendoset në vetvete, kështu që më pas një model karakteristik i valës krijohet në detektor”, thotë Hartmut Lemmel (TU Wien).

Por ndërsa në eksperimentin me dy çarje, dy çarjet janë vetëm një distancë minimale nga njëra-tjetra, në interferometrin e neutronit grimcat ndahen në dy shtigje të ndryshme me disa centimetra në mes. Vala e grimcave arrin një madhësi makroskopike – megjithatë, duke mbivendosur dy shtigjet, krijohet një model valor që dëshmon qartë se grimca nuk zgjodhi njërën nga dy shtigjet, ajo përdori të dyja shtigjet njëkohësisht.

Superpozicionet kuantike në një interferometër neutron janë jashtëzakonisht të brishtë. “Paaktësitë e vogla, dridhjet, zhvendosjet ose rrotullimet e kristalit shkatërrojnë efektin”, thotë Hartmut Lemmel. “Kjo është arsyeja pse ju zakonisht e bluani të gjithë interferometrin nga një kristal i vetëm.” Në një kristal, të gjithë atomet janë të lidhur me njëri-tjetrin dhe kanë një marrëdhënie fikse hapësinore me njëri-tjetrin – kështu që ju mund të minimizoni ndikimin e shqetësimeve të jashtme në valën e neutronit.

Por ky dizajn monolit kufizon mundësitë, sepse kristalet nuk mund të bëhen në asnjë madhësi. “Në vitet 1990, njerëzit u përpoqën të krijonin interferometra neutron nga dy kristale që më pas mund të pozicionoheshin në një distancë më të madhe nga njëri-tjetri,” thotë Lemmel, “por nuk ishte i suksesshëm. Rreshtimi i dy kristaleve kundër njëri-tjetrit. nuk ka arritur saktësinë e kërkuar”.

Kërkesat për saktësi janë ekstreme. Kur një kristal i interferometrit zhvendoset nga një atom i vetëm, modeli i ndërhyrjes zhvendoset me një periudhë të plotë. Nëse një nga kristalet rrotullohet nga një kënd në rendin e njëqind e milionta e një shkalle, modeli i ndërhyrjes shkatërrohet. Saktësia e kërkuar këndore korrespondon afërsisht me të shtënat e një grimce nga Vjena në Grenoble dhe me synimin në një kokë gjilpëre, 900 kilometra larg njëra-tjetrës – ose duke synuar një mbulesë kullimi në Hënë.

Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) në Torino siguroi teknologjitë e nevojshme, të cilat i kishte zhvilluar gjatë dekadave në fushën e interferometrisë së kombinuar optike dhe me rreze X. Interferometrat e skanimit me rreze X gjithashtu përbëhen nga kristale të veçanta silikoni dhe janë po aq të ndjeshëm. Ndjeshmëria ndaj zhvendosjes hapësinore të një kristali u përdor në Torino për të përcaktuar konstantën e rrjetës së silikonit me saktësi të paparë. Ky rezultat lejon mundësinë e numërimit të atomeve të një sfere makroskopike silikoni, përcaktimin e konstantave Avogadro dhe Planck dhe ripërcaktimin e kilogramit.

“Megjithëse saktësia e kërkuar është edhe më e rëndë për neutronet, ajo që funksionoi me interferometra të veçantë kristal me rreze X duhet të funksionojë edhe me interferometra të veçantë neutron kristal,” thotë Enrico Massa nga INRIM. Me një interferometër shtesë të integruar me lazer, zbutjen e dridhjeve, stabilizimin e temperaturës dhe mbikëqyrjen nga INRIM të montimit dhe shtrirjes së kristaleve, bashkëpunimi më në fund ka arritur të zbulojë ndërhyrjen e neutronit në një sistem prej dy kristalesh të veçanta.

“Ky është një zbulim i rëndësishëm për interferometrinë e neutronit,” thotë Michael Jentschel nga ILL. “Sepse nëse mund të kontrolloni dy kristale aq mirë sa të jetë e mundur interferometria, ju gjithashtu mund të rrisni distancën dhe të zgjeroni madhësinë e sistemit të përgjithshëm mjaft lehtë.”

Për shumë eksperimente, kjo madhësi totale përcakton saktësinë që mund të arrihet në matje. Do të bëhet e mundur të hetohen ndërveprimet themelore me saktësi të paparë – për shembull, ndjeshmëria e neutroneve ndaj gravitetit në regjimin kuantik dhe ndaj forcave të reja hipotetike.