As partículas podem se mover como ondas ao longo de diferentes caminhos ao mesmo tempo – essa é uma das descobertas mais importantes da física quântica. Um exemplo particularmente impressionante é o interferômetro de nêutrons:nêutrons são disparados em um cristal, a onda de nêutrons é dividida em duas porções, que são então sobrepostas novamente. Um padrão de interferência característico pode ser observado, o que comprova as propriedades ondulatórias da matéria.
Esses interferômetros de nêutrons têm desempenhado um papel importante para medições de precisão e pesquisa física fundamental por décadas. No entanto, seu tamanho foi limitado até agora porque eles só funcionavam se esculpidos em uma única peça de cristal. Desde a década de 1990, tentativas também foram feitas para produzir interferômetros a partir de dois cristais separados, mas sem sucesso. Agora, uma equipe da TU Wien, INRIM Turin e ILL Grenoble conseguiu precisamente esse feito, usando uma plataforma de inclinação de ponta de alta precisão para o alinhamento do cristal. Isso abre possibilidades completamente novas para medições quânticas, incluindo pesquisas sobre efeitos quânticos em um campo gravitacional.

O primeiro passo em 1974

A história da interferometria de nêutrons começou em 1974 em Viena. Helmut Rauch, por muitos anos professor do Atomic Institute of TU Wien, criou o primeiro interferômetro de nêutrons a partir de um cristal de silício e conseguiu observar a primeira interferência de nêutrons no reator TRIGA de Viena. Alguns anos depois, a TU Wien montou uma estação de interferometria permanente, a S18, na fonte de nêutrons mais poderosa do mundo, o Institut Laue-Langevin (ILL) em Grenoble. Esta configuração está operacional até os dias atuais.

"O princípio do interferômetro é semelhante ao famoso experimento da dupla fenda, no qual uma partícula é lançada em uma fenda dupla de maneira ondulatória, passa por ambas as fendas simultaneamente como uma onda e depois se sobrepõe a si mesma, de modo que depois um padrão de onda característico é criado no detector", diz Hartmut Lemmel (TU Wien).

Mas enquanto no experimento de dupla fenda as duas fendas estão apenas a uma distância mínima, no interferômetro de nêutrons as partículas são divididas em dois caminhos diferentes com vários centímetros entre eles. A onda da partícula atinge um tamanho macroscópico - no entanto, ao sobrepor os dois caminhos, cria-se um padrão de onda que prova claramente que a partícula não escolheu um dos dois caminhos, ela usou os dois caminhos simultaneamente.

Qualquer imprecisão pode destruir o resultado

As superposições quânticas em um interferômetro de nêutrons são extremamente frágeis. "Pequenas imprecisões, vibrações, deslocamentos ou rotações do cristal destroem o efeito", diz Hartmut Lemmel. "É por isso que você normalmente moe todo o interferômetro a partir de um único cristal." Em um cristal, todos os átomos estão conectados uns aos outros e têm uma relação espacial fixa entre si – para que você possa minimizar a influência de distúrbios externos na onda de nêutrons.

Mas esse design monolítico limita as possibilidades, porque os cristais não podem ser feitos em qualquer tamanho. "Na década de 1990, as pessoas tentaram criar interferômetros de nêutrons a partir de dois cristais que poderiam ser posicionados a uma distância maior um do outro", diz Lemmel, "mas não teve sucesso. O alinhamento dos dois cristais um contra o outro não atingiu a precisão necessária."

Exigências extremas de precisão

As exigências de precisão são extremas. Quando um cristal do interferômetro é deslocado por um único átomo, o padrão de interferência muda por um período completo. Se um dos cristais é girado por um ângulo da ordem de cem milionésimos de grau, o padrão de interferência é destruído. A precisão angular necessária corresponde aproximadamente a atirar uma partícula de Viena a Grenoble e mirar em uma cabeça de alfinete, a 900 quilômetros de distância – ou mirar em uma tampa de drenagem na Lua.

O Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) em Turim forneceu as tecnologias necessárias, que desenvolveu ao longo de décadas no campo da interferometria óptica e de raios-X combinada. Os interferômetros de raios-X de varredura também consistem em cristais de silício separados e são igualmente sensíveis. The sensitivity to the spatial displacement of a crystal was used in Turin to determine the lattice constant of silicon with unprecedented accuracy. This result allows for the possibility of counting the atoms of a macroscopic silicon sphere, determining the Avogadro and Planck constants and redefining the kilogram.

"Although the required accuracy is even more severe for neutrons, what worked with separate crystal X-ray interferometers should also work with separate crystal neutron interferometers," says Enrico Massa from INRIM. With an additional built-in laser interferometer, vibration damping, temperature stabilization and INRIM's overseeing of the crystals' assembly and alignment, the collaboration has finally succeeded in detecting neutron interference in a system of two separate crystals.

Important for fundamental research

"This is an important breakthrough for neutron interferometry," says Michael Jentschel from the ILL. "Because if you can control two crystals well enough that interferometry is possible, you can also increase the distance and expand the size of the overall system quite easily."

For many experiments, this total size determines the accuracy that can be achieved in the measurement. It will become possible to investigate fundamental interactions with unprecedented accuracy—for example, the sensitivity of neutrons to gravity in the quantum regime and to hypothetical new forces.

The research was published in the Journal of Applied Crystallography . + Explorar mais

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