Supongamos que estamos bailando en un prado, girando rápidamente sobre nuestro propio eje. En algún momento nos subimos a un carrusel giratorio. Podemos terminar lastimándonos cuando ambas rotaciones se suman y se transfiere el momento angular. También hay fenómenos similares presentesen sistemas de mecánica cuántica?
Después de años de preparación, un equipo de TU Wien logró realizar un experimento en el que el giro de un neutrón atraviesa una región con un campo magnético giratorio. Se tuvo que desarrollar un tipo especial de bobina para producir este campo magnético giratorio.Aunque el espín de neutrones no lleva ninguna masa y solo puede describirse cuánticamente mecánicamente, exhibe una propiedad inercial. Estos resultados se han publicado en Nature Partner Journal Información cuántica .
La inercia de la rotación: las ruedas grandes siguen girando
"La inercia es una característica omnipresente", ilustra Stephan Sponar, del Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien. "Cuando nos sentamos en un tren que se mueve a velocidad constante, no podemos distinguir la diferencia con un tren estacionado en la estación. Solo al cambiar el marco de referencia, por ejemplo, al saltar del tren, estamos desacelerados. Sentimos fuerzas debido a la inercia de nuestra masa ".
Cuando se consideran las rotaciones, las cosas son similares: el momento angular de un objeto giratorio se conserva siempre que no se aplique torque externo. Pero cuando se consideran las partículas cuánticas, las cosas se vuelven más complicadas: "Las partículas como los neutrones o los electrones tienen un tipo especialdel momento angular: el giro ", dice Armin Danner, autor principal del artículo recientemente publicado.
Spin es el momento angular intrínseco orbital de una partícula elemental. Hay similitudes con la rotación de un planeta que gira sobre su eje, pero en muchos aspectos esta comparación no se cumple: el spin es una propiedad de partículas puntuales. Con un clásicomentalidad, no pueden rotar sobre ningún eje. "El giro puede considerarse como el momento angular de un objeto que está restringido a un punto", dice Armin Danner. Las propiedades de dicho giro no se encuentran en nuestra vida cotidiana. PeroEl formalismo de la mecánica cuántica puede darnos una idea intuitiva de cómo funcionan las cosas en algunos casos.
Acoplamiento entre giro y campo magnético
"En 1988, los colegas ya predijeron cómo debería comportarse un neutrón cuando se expone repentinamente a la rotación", explica el profesor Yuji Hasegawa, jefe del grupo de interferometría de neutrones. "Un acoplamiento entre el espín de neutrones y un magnético giratoriose predijo el campo. Pero hasta ahora, nadie podía demostrar directamente este acoplamiento en su forma mecánica cuántica. También nos llevó algunos años de trabajo y varios intentos de hacerlo ".
Similar a un bailarín que tiene spin y cruza un carrusel giratorio, el neutrón está expuesto a un campo magnético giratorio. Sin embargo, este campo manipula el spin, las orientaciones antes y después del campo magnético son las mismas. Después de atravesar la regióncon el campo magnético, el momento angular del neutrón es exactamente el mismo que antes. Lo único que "sucedió" al neutrón es que experimentó efectos de inercia, que son detectables por medio de la mecánica cuántica.
En la configuración experimental, el haz de neutrones se divide en dos haces parciales separados. Uno de ellos está expuesto a un campo giratorio mientras que el otro no se ve afectado. Ambos haces parciales se recombinan. Siguiendo las reglas de la mecánica cuántica, el neutrón viajaa lo largo de ambos caminos simultáneamente. En el primer camino, los efectos de la inercia cambian localmente la longitud de onda de la onda de partículas. Esto determina cómo las ondas parciales se amplifican y extinguen entre sí.
El mayor desafío fue el diseño de la bobina magnética que produce el campo magnético. Se necesita una pequeña ventana dentro de la bobina para que pase el haz de neutrones. Sin embargo, las propiedades del campo deben cumplir con las condiciones estrictas para inducir el campo deseadoSe identificó una geometría adecuada con la ayuda de simulaciones por computadora. El sistema se desarrolló y probó en la fuente de neutrones de TU Wien en el Prater vienés, mientras que las mediciones finales se realizaron en el ILL en Grenoble, Francia.
"Es fascinante que indujimos un efecto cuántico puro que al principio no puede entenderse de manera clásica", señala Armin Danner. "Nuestra intuición, por lo tanto, no debería ayudarnos aquí en absoluto. Pero podríamos demostrar para un caso muy específico que elEl concepto clásico de inercia sigue siendo válido para el espín de neutrones ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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