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基础物理学突破,维也纳科学家使用两个单独晶体制造了中子干涉仪

2022-07-19 22:24115650
  粒子可以同时沿着不同的路径以波的形式运动,这是量子物理学最重要的发现之一。一个特别令人印象深刻的例子是中子干涉仪:中子向晶体发射,中子波分为两部分,然后再相互叠加。可以观察到一个特征干涉图,这证明了物质的波动特性。几十年来,这种中子干涉仪在精确测量和基础物理研究中发挥了重要作用,然而,到目前为止,它们的尺寸受到限制,因为它们只有在用一块水晶雕刻的情况下才能工作。自20世纪90年代以来,也有科学家试图用两个单独的晶体制作干涉仪,但没有成功。
  现在,来自欧洲的科学家已经实现了这一壮举,他们使用高精度的倾斜平台进行晶体对准,这为量子测量开辟了全新的可能性,包括研究引力场中的量子效应。中子干涉测量的历史始于1974年的维也纳,当时科学家们用硅晶体创建了第一台中子干涉仪,并能够在维也纳TRIGA反应堆观察到中子的第一次干涉。科学家解释说:“干涉仪的原理类似于著名的双缝实验,在该实验中,粒子以类似波浪的方式射向双缝,作为波同时通过两个缝,然后叠加在其自身上,因此随后在探测器上创建特征波图案。”
  中子干涉仪中的量子叠加极其脆弱。另一位科学家说:“晶体的微小误差、振动、位移或旋转会破坏这种效果,这就是为什么你通常把整个干涉仪磨成一个单晶。在晶体中,所有原子都相互连接,并具有固定的空间关系,因此可以将外部扰动对中子波的影响降至最低。”干涉仪对准确性的要求是极端的。当干涉仪的晶体被单个原子取代时,干涉图案会移动一个完整的周期。如果其中一个晶体旋转1亿分之一度的角度,干涉图案就会被破坏。所需的角度精度大致相当于从维也纳向格勒诺布尔发射一个粒子,并瞄准一根针头。
  都灵的几所大学利用对晶体空间位移的敏感性,以前所未有的精度测定了硅的晶格常数。这一结果允许对宏观硅球的原子进行计数,确定阿伏加德罗常数和普朗克常数,并重新定义千克,当然,还有其他机构,我就不一个一个说了。科学家们说:“虽然中子的精度要求更高,但使用分离晶体X射线干涉仪的方法也应该适用于分离晶体中子干涉仪。”通过额外的内置激光干涉仪、减振、温度稳定和INRIM对晶体组装和对准的监督,该合作最终成功地检测到两个独立晶体系统中的中子干扰。
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