Quanten-Wunderland: Neutron "Cheshire Cats" erstellt

Die Cheshire-Katze der klassischen Kinderbuch "Alice im Wunderland" hatte ein Lächeln, das von seinem Körper trennen könnte. Und nun, im Sinne von Lewis Carroll, Wissenschaftler haben Quantum Cheshire Katzen in Form von Neutronen, die getrennt von ihren Magnetismus.

Diese neue Erkenntnis legt nahe, dass zukünftige Experimente andere Eigenschaften der Teilchen voneinander unterscheiden, wie ihre Ladung und Masse teilen könnten, dazu beitragen, die um Geheimnisse über die grundlegenden Bits der Materie zu lösen, die das Universum bilden.

In der seltsamen Wunderland der Quantenphysik können sich die Teilchen, aus denen sich alles auf bizarre Art und Weise verhalten. Zum Beispiel kann ein Teilchen offenbar gibt es in zwei oder mehreren Orten gleichzeitig oder drehen zwei entgegengesetzte Richtungen zur gleichen Zeit, eine Eigenschaft bekannt als Überlagerung. [Die 9 größten ungelösten Rätsel der Physik]

Erstellen von Quantum Cheshire

Theoretische Physiker vorausgesagt letztes Jahr, dass die Eigenart der Quantenphysik die Eigenschaften der Partikel an mindestens zwei Orten gleichzeitig existieren ermöglichen könnten. Dies ahmt die Geschichte die Cheshire-Katze in die Alice-Noten "gut! Ich habe oft gesehen, eine Katze ohne ein Grinsen... aber ein Grinsen ohne Katze! "Es ist das Merkwürdigste, was, das ich je in meinem ganzen Leben gesehen habe!"

"Die aufregendste Sache war, dass wir diese Idee arbeiten, gemacht", sagte Studienautor Lead Tobias Denkmayr, Quantenphysiker an der technischen Universität Wien in Österreich.

Zunächst begannen die Forscher mit Neutronen, die in der Regel in einem Atomkern befinden. Elektrisch geladene Teilchen wie Protonen und Elektronen sind in der Regel die einzigen, die Magnetismus besitzen, aber Neutronen, die elektrisch neutral sind, verfügen auch über Magnetismus, weil sie aus elektrisch geladenen Bausteine bekannt als Quarks bestehen. Obwohl die elektrischen Ladungen der diese Quarks aufheben Neutronen elektrisch neutral gestalten, besitzen Neutronen noch eine winzige Menge des Magnetismus.

Die Wissenschaftler feuerte einen Strahl von Neutronen in ein Gerät wie ein Neutron Interferometer bekannt. Dieses Gerät ist eine Art von Silizium-Kristall bekannt als einen Strahlteiler, deren molekulare Struktur teilt der Neutronenstrahl in eine Oberwange und eine untere Balken, deren Eigenschaften grundlegend verbunden bleiben, als ob die Neutronen in beiden Strahlen gleichzeitig unterwegs waren.

Magnetismus kann Objekte, die entweder eine oder andere Weise auszurichten, ebenso eine Bar kann Magnet gespiegelt werden, so dass entweder die Nord- oder Südpol nach oben zeigt. Der Strahlteiler verursacht Neutronen, die Parallel zu der Richtung, die sie bewegen, in den oberen Strahl zu gehen, während Neutronen den umgekehrten Weg ausgerichtet aufgereiht entlang der untere Balken zu reisen. [Verdreht Physik: 7 mind-blowing Ergebnisse]

Die Forscher konfiguriert das Interferometer zur Erkennung nur Neutronen aufgereiht Parallel zu der Richtung, die sie unterwegs waren. Dies bedeutete, dass das Gerät Neutronen nur innerhalb der oberen Traverse erkennen sollte.

Die Wissenschaftler platziert als nächstes einen Neutron-absorbierenden Filter in den Pfad des unteren Balkens. Wie erwartet, änderte das der Anzahl der Neutronen sich nicht das Interferometer erkannt, da es nur Neutronen in der Oberwange erkannt haben sollten.

Jedoch wenn die Physiker entfernt der Filter und ein kleines Magnetfeld angewendet, der untere Balken weniger Neutronen erkannt wurden, als ob sie vom Detektor abgelenkt wurden. Es scheint, dass während der Neutronen in diesem Setup in der Oberwange reisten, ihren Magnetismus in der untere Balken gereist.

"Das magnetische Feld wir nur angewendet wirkten sich auf wo die Neutronen zu nicht wo sie sein sollten, eigentlich nicht" Denkmayr erzählte Leben Wissenschaft.

Cheshire Katzen arbeiten setzen

Wenn man versucht, ein Teilchen messen, die Überlagerung, z. B. eine Quanten-Cheshire-Katze, durchlebt der Akt der Messung "bricht" die Überlagerung – beispielsweise wenn ein Elektron messen, die gleichzeitig in zwei entgegengesetzte Richtungen dreht, würde man nur ein Elektron in eine oder die andere Richtung drehen sehen. Diese Einschränkung macht es normalerweise unmöglich, Phänomene wie Quantum Cheshire Katzen zu erkennen.

Vor etwa 25 Jahren zeigten jedoch Wissenschaftler war ein Weg, um Partikel in Überlagerung zu messen, ohne diesen bizarren Staaten zusammenzubrechen. Diese so genannte schwache Messung Strategie nicht die einzelnen Partikel zu analysieren, sondern eher Sonden ein Ensemble von Teilchen zur gleichen Zeit messen sie so sanft, dass ihre Überlagerungen nicht zusammenbrechen. Durch Sichtung durch schwache Messdaten aus vielen Teilchen, können Forscher Phänomene wie Quantum Cheshire Katzen auszugraben.

"Du musst viele Beobachtungen zu erreichen, jede Art von Gewissheit, dass Sie gesehen haben, was Sie denken, dass Sie gesehen haben," Studie Co-Autor Hartmut Lemmel, am Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich, sagte in einer Erklärung. "Dies war nur möglich, da die Stärke der Neutronenquelle verfügbar am Institut Laue-Langevin, die eindeutig die Anzahl der Neutronen benötigt diese wiederholte Experimente liefern kann."

Obwohl Quantum Cheshire Katzen nur mit Neutronen, bisher wurde "man konnte sehen, dass sie mit jedem Quantenteilchens – Protonen, Elektronen, Photonen, you name it.," Denkmayr sagte. "Sie könnten im Prinzip der Masse und Ladung eines Elektrons, z. B. trennen." Auch komplexere Szenarien mehr als zwei Eigenschaften der Partikel trennen konnte, fügte er hinzu.

Eine mögliche Anwendung möglicherweise in hochpräzise Messungen der Systeme, die leicht durch Störungen unterbrochen sind. Zum Beispiel erweiterte Geräte, die auf die Quantenphysik verlassen – wie Quantencomputer, kann im Prinzip mehr Berechnungen durchführen in einem Augenblick als es Atome im Universum gibt – sind oft anfällig für leichten Störungen.

"Sie können sich vorstellen, ein Quantensystem, wo Sie eine Eigenschaft sehr genau messen wollen, aber es hat eine andere Eigenschaft, die einen viel größeren Einfluss als die Eigenschaft zu messende hat," sagte Denkmayr. "Sie könnten einfach die Eigenschaft, die Sie von der Unterkunft aus zu messen, die die Störung verursacht möchten trennen."

Die Wissenschaftler ihre Ergebnisse detailliert (Juli 29) heute online in der Fachzeitschrift Nature Communications.

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