Verschränkung von Spin und Drehimpuls von Neutronen

Dass der Bahndrehimpuls von gebunden massiven Teilchen, aber auch von freien Photonen quantisiert ist, ist seit Langem bekannt. In den letzten Jahren wurde dieses Verhalten nun aber auch bei freien massiven Teilchen beobachtet, nämlich bei Elektronen. Erst kürzlich gelang auch der Nachweis bei thermischen Neutronen mittels einer Spiralphasenplatte. Jedoch wird der damit erzeugte Bahndrehimpuls als extrinsisch bezeichnet, da die Neutronen lediglich denselben Bahndrehimpuls bezüglich einer optischen Achse haben, der intrinsische Bahndrehimpuls, also bezüglich des Impulsvektors der einzelnen Neutronen, ist jedoch unterschiedlich. Daher wurden neue theoretische Methoden zur Bahndrehimpuls Erzeugung freier Teilchen entwickelt. Es wird vorhergesagt, dass ein magnetischer Quadrupol genutzt werden kann um eine Verschränkung zwischen Spin und Bahndrehimpuls herzustellen. Zusätzlich zu dieser bestehenden Methode, schlagen wird Verwendung homogener elektrischer Felder zur Erzeugung von Verschränkung zwischen Spin und Bahndrehimpuls im Rahmen dieses Projektes vor. Ein elektrisches Feld mit Polarisation in Flugrichtung der Teilchen induziert einen longitudinalen Bahndrehimpuls, während eine transversale Polarisation einen transversalen Bahndrehimpuls zur Folge hat. Letzteres ist für freie Teilchen bis jetzt noch nicht beobachtet worden. Ziel des Projekts sind zusammengefasst, Herstellung und Nachweis von longitudinal und transversalen Bahndrehimpuls sowie deren Verschränkung mit dem Spin des Neutrons.

Dass der Bahndrehimpuls von gebunden massiven Teilchen, aber auch von freien Photonen quantisiert ist, ist seit Langem bekannt. In den letzten Jahren wurde dieses Verhalten nun aber auch bei freien massiven Teilchen beobachtet, nämlich bei Elektronen. Erst kürzlich gelang auch der Nachweis bei thermischen Neutronen mittels einer Spiralphasenplatte. Jedoch wird der damit erzeugte Bahndrehimpuls als extrinsisch bezeichnet, da die Neutronen lediglich denselben Bahndrehimpuls bezüglich einer optischen Achse haben, der intrinsische Bahndrehimpuls, also bezüglich des Impulsvektors der einzelnen Neutronen, ist jedoch unterschiedlich. Daher wurden neue theoretische Methoden zur Bahndrehimpuls Erzeugung freier Teilchen entwickelt. Es wird vorhergesagt, dass ein magnetischer Quadrupol genutzt werden kann um eine Verschränkung zwischen Spin und Bahndrehimpuls herzustellen. Zusätzlich zu dieser bestehenden Methode, schlagen wird Verwendung homogener elektrischer Felder zur Erzeugung von Verschränkung zwischen Spin und Bahndrehimpuls im Rahmen dieses Projektes vor. Ein elektrisches Feld mit Polarisation in Flugrichtung der Teilchen induziert einen longitudinalen Bahndrehimpuls, während eine transversale Polarisation einen transversalen Bahndrehimpuls zur Folge hat. Letzteres ist für freie Teilchen bis jetzt noch nicht beobachtet worden. Im Rahmen dieses Projekts konnten wir die OAM-Erzeugung mittels Schwinger-Streuung in perfektem Quarz demonstrieren, indem wir die internen elektrischen Felder des asymmetrischen Kristalls nutzten. Darüber hinaus verallgemeinern wir magnetische Methoden, die kohärente Mittelung (engl. coherent averaging) verwenden, und wenden diese auf die Neutroneninterferometrie an. Zwei Aluminiumprismen werden in ein verschachteltes Schleifeninterferometer eingefügt, um ein Phasenwirbelgitter mit signifikantem extrinsischem OAM zu erzeugen. Außerdem konnten wir die Anwendbarkeit des am Atominstitut der TU Wien verwendeten Modenverschränkten Interferometers zur Erzeugung von OAM mittels kohärenter Mittelung demonstrieren; ein neues Werkzeug der Spinecho-Interferometrie, das die unvollständige Rekombination der beiden Pfadzustände nutzt, um zusammengesetzte Wellenfunktionen mit spezieller Struktur zu erzeugen. Insbesondere zeigen wir, dass diese Methode Neutronenwellenfunktionen erzeugt, die in einer Superposition zweier quantenmechanischer OAM-Moden, l = 1, existieren. Abschließend wurde die Kopplung zwischen Erdrotation und Bahndrehimpuls (OAM), auch bekannt als Sagnac-Effekt, einem Spin-Echo-Interferometer beobachtet. Nach Korrektur der Instrumentensystematik liegt die gemessene Kopplung innerhalb von 5 % des theoretischen Wertes, mit einer Unsicherheit von 7,2 %. Diese Arbeit ebnet den Weg für eine zukünftige Beobachtung des Quanten-Sagnac-Effekts.