Imagine uma dançarina de ponta, girando em seu próprio eixo enquanto dançava em um carrossel giratório. Ela pode se machucar quando ambas as rotações se somam e o momento angular é transferido. Fenômenos semelhantes também estão presentes em sistemas de mecânica quântica?

Após anos de preparação, uma equipe da TU Wien conseguiu conduzir um experimento no qual o spin de um nêutron atravessa uma região com um campo magnético giratório. Um tipo especial de bobina teve que ser desenvolvido para produzir esse campo magnético giratório. Embora o spin do nêutron não carregue nenhuma massa e só possa ser descrito mecanicamente quântico, exibe uma propriedade inercial. Esses resultados já foram publicados em Nature Partner Journal Quantum Information .

A inércia da rotação:rodas grandes continuam girando

"A inércia é uma característica onipresente, "Stephan Sponar, do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien, ilustra." Quando nos sentamos em um trem que se move em velocidade constante, não podemos dizer a diferença para um trem estacionado na estação. Somente ao mudar o quadro de referência, por exemplo. ao pular do trem, estamos desacelerados. Sentimos forças devido à inércia de nossa massa. ”

Quando as rotações são consideradas, as coisas são semelhantes:o momento angular de um objeto em rotação é conservado, desde que nenhum torque externo seja aplicado. Mas ao considerar partículas quânticas, as coisas ficam mais complicadas:"Partículas como nêutrons ou elétrons apresentam um tipo especial de momento angular - o spin, "diz Armin Danner, autor principal do artigo recém-publicado.

Spin é o momento angular orbital intrínseco de uma partícula elementar. Existem semelhanças com a rotação de um planeta girando em torno de seu eixo, mas em muitos aspectos essa comparação não é válida:o spin é uma propriedade das partículas pontuais. Com uma mentalidade clássica, eles não podem girar em torno de nenhum eixo. "A rotação pode ser considerada como o momento angular de um objeto que está contraído até um ponto, "Armin Danner diz. As propriedades desse spin não são encontradas em nossa vida cotidiana. Mas o formalismo da mecânica quântica pode nos dar uma ideia intuitiva de como as coisas funcionam em alguns casos.

Acoplamento entre spin e campo magnético

"Em 1988, colegas já previram como um nêutron deve se comportar quando é repentinamente exposto à rotação, "Prof. Yuji Hasegawa, chefe do grupo de interferometria de nêutrons, explica. "Foi previsto um acoplamento entre o spin do nêutron e um campo magnético giratório. Mas até agora, ninguém poderia demonstrar diretamente esse acoplamento em sua forma mecânica quântica. Também nos custou alguns anos de trabalho e várias tentativas para fazer isso. "

Semelhante a uma dançarina que gira e cruza um carrossel giratório, o nêutron é exposto a um campo magnético giratório. Este campo manipula o giro, Contudo, as orientações de spin antes e depois do campo magnético são as mesmas. Depois de atravessar a região com o campo magnético, o momento angular do nêutron é exatamente o mesmo de antes. A única coisa que "aconteceu" com o nêutron é que ele experimentou efeitos de inércia, que são detectáveis ​​por meio da mecânica quântica.

Na configuração experimental, o feixe de nêutrons é dividido em dois feixes parciais separados. Um deles é exposto a um campo giratório, enquanto o outro não é afetado. Ambos os feixes parciais são então recombinados. Seguindo as regras da mecânica quântica, o nêutron viaja ao longo de ambos os caminhos simultaneamente. No primeiro caminho, os efeitos da inércia alteram localmente o comprimento de onda da onda da partícula. Isso determina como as ondas parciais se amplificam e se extinguem.

O maior desafio foi o projeto da bobina magnética que produz o campo magnético. Uma pequena janela dentro da bobina é necessária para a passagem do feixe de nêutrons. Contudo, as propriedades do campo devem cumprir as condições estritas para induzir o campo desejado. Uma geometria adequada foi identificada com a ajuda de simulações de computador. O sistema foi desenvolvido e testado na fonte de nêutrons da TU Wien no Prater vienense, enquanto as medições finais foram realizadas no ILL em Grenoble, França.

"É fascinante que induzimos um efeito quântico puro que a princípio não pode ser entendido classicamente, "Armin Danner ressalta." Nossa intuição, portanto, não deveria nos ajudar em nada. Mas poderíamos demonstrar para um caso muito específico que o conceito clássico de inércia ainda é válido para o spin do nêutron. "