21.07.2022 - Technische Universität Wien

Una onda cuántica en dos cristales

Avance en la física de los neutrones

Las partículas pueden moverse como ondas a lo largo de diferentes trayectorias al mismo tiempo: éste es uno de los descubrimientos más importantes de la física cuántica. Un ejemplo especialmente impresionante es el interferómetro de neutrones: se disparan neutrones a un cristal, la onda de neutrones se divide en dos porciones, que se superponen de nuevo. Se puede observar un patrón de interferencia característico que demuestra las propiedades ondulatorias de la materia.

Estos interferómetros de neutrones han desempeñado un papel importante en las mediciones de precisión y en la investigación de la física fundamental durante décadas. Sin embargo, su tamaño ha sido limitado hasta ahora porque sólo funcionaban si se tallaban a partir de una sola pieza de cristal. Desde la década de 1990 se ha intentado también fabricar interferómetros a partir de dos cristales separados, pero sin éxito. Ahora, un equipo de la Universidad Técnica de Viena, el INRIM de Turín y el ILL de Grenoble ha logrado precisamente esta hazaña, utilizando una plataforma de alta precisión de inclinación de la punta para la alineación del cristal. Esto abre posibilidades completamente nuevas para las mediciones cuánticas, incluida la investigación de 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 del Instituto Atómico de la 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 creó una estación de interferometría permanente, la S18, en la fuente de neutrones más potente del mundo, el Instituto Laue-Langevin (ILL) de Grenoble. Esta instalación 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 a una doble rendija de forma ondulatoria, pasa a través de ambas rendijas simultáneamente como una onda y luego se superpone a sí misma, de modo que después 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 a una distancia mínima, en el interferómetro de neutrones las partículas se dividen en dos trayectorias diferentes con varios centímetros de por medio. La onda de la partícula alcanza un tamaño macroscópico; sin embargo, al superponer las dos trayectorias, se crea un patrón de onda que demuestra claramente: La partícula no eligió uno de los dos caminos, sino que utilizó ambos 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. "Por eso se suele fresar todo el interferómetro a partir de un solo cristal". En un cristal, todos los átomos están conectados entre sí y tienen una relación espacial fija entre ellos, por lo que se puede minimizar la influencia de las perturbaciones externas en la onda de neutrones.

Pero este diseño monolítico limita las posibilidades, porque los cristales no pueden fabricarse de cualquier tamaño. "Por ello, en los años 90 se intentó crear interferómetros de neutrones a partir de dos cristales que pudieran colocarse a mayor distancia uno del otro", dice Lemmel, "pero no tuvo éxito. La alineación de los dos cristales entre sí no alcanzó la precisión requerida".

Exigencias extremas de precisión

Las exigencias de precisión son extremas. Cuando un cristal del interferómetro se desplaza un solo átomo, el patrón de interferencia se desplaza un periodo completo. Si uno de los cristales se gira en un ángulo del orden de una centésima de grado, el patrón de interferencia se destruye. 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.

El Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) de Turín proporcionó las tecnologías necesarias, que había desarrollado durante décadas en el campo de la interferometría óptica y de rayos X combinada. Los interferómetros de rayos X de barrido también se componen de cristales de silicio separados y son igualmente sensibles. La sensibilidad al desplazamiento espacial de un cristal se utilizó en Turín para determinar la constante de red del silicio con una precisión sin precedentes. Este resultado permitió contar los átomos de una esfera macroscópica de silicio, determinar las constantes de Avogadro y Planck y redefinir el kilogramo.

"Aunque la precisión requerida es aún más severa en el caso de los neutrones, lo que funcionó con los interferómetros de rayos X de cristales separados debería funcionar también con los interferómetros de neutrones de cristales separados", afirma Enrico Massa, del INRIM.
Con un interferómetro láser adicional incorporado, la amortiguación de las vibraciones, la estabilización de la temperatura y la supervisión por parte del INRIM del ensamblaje y la alineación de los cristales, la colaboración ha logrado finalmente detectar la interferencia de neutrones en un sistema de dos cristales separados.

Importante para la investigación fundamental

"Se trata de un avance importante para la interferometría de neutrones", afirma Michael Jentschel, del ILL. "Porque si se pueden controlar dos cristales lo suficientemente bien como para que la interferometría sea posible, también se puede aumentar la distancia y ampliar el tamaño del sistema total con bastante facilidad".

Para muchos experimentos, este tamaño total determina la precisión que puede alcanzarse en la medición. Será posible investigar interacciones fundamentales con una precisión sin precedentes: por ejemplo, la sensibilidad de los neutrones a la gravedad en el régimen cuántico y a hipotéticas nuevas fuerzas.

  • H. Lemmel, M. Jentschel, H. Abele, F. Lafont, B. Guerard, C.P. Sasso, G. Mana, E. Massa – Neutron interference from a split-crystal interferometer, J. Appl. Cryst. 55, (2022).

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