I neutroni possono essere delocalizzati: nuovo paradosso quantistico

I neutroni possono essere collocati in un luogo diverso dal proprio ambito? Un esperimento quantistico dimostra un nuovo tipo di paradosso quantistico.                        The Cheshire Cat descritto nel romanzo di Lewis Caroll "Alice in Wonderland" è una creatura straordinaria: scompare, lasciando il suo sorriso dietro. Un oggetto può essere separato dalle sue proprietà? E 'possibile nel mondo quantistico. In un esperimento, i neutroni viaggiano lungo un percorso che è diverso da uno delle loro proprietà – cioè il loro momento magnetico. Questa "Quantum Cheshire Cat" potrebbe essere usato per fare misure di alta precisione in quanto meno sensibile alle perturbazioni esterne. L'idea base della Quantum Cheshire Cat: in un interferometro, un oggetto è separato da uno se le sue proprietà - come un gatto, muove su un percorso diverso dal suo sorriso. I neutroni possono essere collocati in un luogo diverso dal proprio ambito? Un esperimento quantistico, effettuata da un team di ricercatori della Vienna University of Technology, dimostra un nuovo tipo di paradosso quantistico.                                    In diversi posti contemporaneamente 

Secondo la legge fisica quantistica, le particelle possono essere in diversi stati fisici allo stesso tempo. Se, per esempio, un fascio di neutroni è divisa in due fasci utilizzando un cristallo di silicio, si può dimostrare che i singoli neutroni non devono decidere quale dei due possibili percorsi che scelgono. Invece, possono viaggiare entrambi lungo i percorsi allo stesso tempo in una sovrapposizione quantistica. "Questa tecnica sperimentale è chiamata interferometria neutronica", dice il professor Yuji Hasegawa della Vienna University of Technology. "E 'stato inventato qui nel nostro istituto nel 1970, e si è rivelato essere lo strumento ideale per studiare la meccanica quantistica fondamentali. " Per vedere se la stessa tecnica potrebbe separare le proprietà di una particella dalla particella stessa, Yuji Hasegawa ha riunito un gruppo composto Tobis Denkmayr, Hermann Geppert e Stephan Sponar, insieme ad Alexandre Matzkin dal CNRS in Francia, il professor Jeff Tollaksen da Chapman University in California e Hartmut Lemmel presso l'Institut Laue-Langevin di sviluppare un esperimento quantistico nuovo di zecca. L'esperimento è stato fatto presso la sorgente di neutroni presso l'Institut Laue-Langevin (ILL) di Grenoble, dove un unico tipo di stazione di misura è gestito dal team viennese, sostenuto da Hartmut Lemmel da ILL.

Dove si trova il gatto ...?

I neutroni non sono elettricamente carichi, ma portano un momento magnetico. Hanno una direzione magnetica, lo spin dei neutroni, che può essere influenzato da campi magnetici esterni. In primo luogo, un fascio di neutroni è diviso in due parti in un interferometro di neutroni. Poi gli spin dei due fasci vengono spostati in direzioni diverse: il fascio di neutroni superiore ha uno spin parallelo alla traiettoria dei neutroni, la rotazione dei punti nella traversa inferiore si muove in direzione opposta. Dopo che i due fasci sono stati ricombinati, sono scelti solo i neutroni, che hanno spin parallelo alla loro direzione di movimento. Tutti gli altri sono semplicemente ignorati. "Questa si chiama post selezione, -afferma Hermann Geppert-,il fascio di neutroni contiene entrambi i sensi di rotazione, ma analizziamo solo una parte dei neutroni. "Questi neutroni, che si trovano ad avere uno spin parallelo alla loro direzione di movimento, devono chiaramente aver viaggiato lungo il percorso superiore - solo lì, i neutroni hanno questo stato di spin. Questo può essere visualizzato nell'esperimento. Se la barra è inviatoa attraverso un filtro che assorbe alcuni dei neutroni, allora il numero di neutroni con spin parallelo alla loro traiettoria rimane lo stesso. Se la traversa superiore viene inviata attraverso un filtro,  il numero di questi neutroni è ridotto.       

... E dove è il sorriso?

Le cose si fanno difficili, quando il sistema viene utilizzato per misurare dove si trova lo spin dei neutroni: lo spin può essere leggermente modificato utilizzando un campo magnetico. Quando i due fasci vengono ricombinati in modo appropriato, possono amplificarsi o si annullano a vicenda. Questo è esattamente quello che si vede nella misurazione, se il campo magnetico è applicato alla traversa inferiore - ma  è  che il percorso, per i neutroni considerati nell'esperimento, si individua effettivamente dove mai dovrebbero essere. Un campo magnetico applicato alla traversa superiore, d'altra parte, non ha alcun effetto. "Per preparare i neutroni in uno speciale stato iniziale e poi post-selezionarli un altro stato,- spiega Tobias Denkmayr -  si ottiene una situazione in cui entrambi i possibili percorsi nell’ interferometria sono importanti per l'esperimento, ma in modi molto diversi". "Lungo uno dei percorsi, le particelle stesse coppia al nostro dispositivo di misura, ma solo l'altro percorso è sensibile allo spin magnetico. Il sistema si comporta come se le particelle siano state spazialmente separati dalle loro proprietà."

Alte speranze per misure ad alta precisione     

Questo intuitivo effetto contatore è molto interessante per misure di alta precisione, che sono spesso basati sul principio di interferenza quantistica. "Quando il sistema quantistico ha una proprietà che si desidera misurare -dice Stephan Sponar- e un'altra proprietà che rende il sistema soggetto a perturbazioni, i due possono essere separati utilizzando un “gatto Quantum Cheshire”, e possibilmente la perturbazione può essere minimizzata". L'idea del Quantum Cheshire Cat è stato sviluppata dal prof. Jeff Tollaksen e il prof. Yakir Aharonov presso l'Università Chapman. Una proposta sperimentale è stata pubblicata lo scorso anno. Le misurazioni che sono stati ora presentati sono la prima prova sperimentale di questo fenomeno.