Нейтронная спираль разделила две запутанные величины экспресс
Камень падает в воду — и во все стороны бегут круги. Бросьте горсть камней разом, и круги наложатся друг на друга: уже не разобрать, где чей след. Примерно так же выглядит пучок нейтронов, упавший на детектор: яркое пятно, размытое сразу от многих причин.
Две главные из них — размер каждой отдельной частицы-волны и то, насколько дружно (когерентно) колеблются разные частицы. Десятилетиями эти две величины сливались в одно размытое пятно, и никто не мог сказать, где кончается одна и начинается другая. Авторы новой работы придумали, как их разделить. Они пропустили нейтроны через устройство, закручивающее волновой фронт спиралью — как если бы круги на воде шли не прямо, а по винтовой лестнице. На детекторе вместо сплошного пятна возникло кольцо.
Радиус этого кольца напрямую связан с поперечным размахом волнового пакета отдельного нейтрона. А толщина кольца — с длиной когерентности, то есть с тем расстоянием, на котором волны ещё шагают в ногу. Измерения дали поразительный результат: размах одиночного нейтрона оказался не меньше двух микрометров, тогда как когерентная длина — всего около 180 нанометров. Частица оказалась раз в десять шире своей когерентной тени.
Такой разрыв — прямое доказательство того, что «размер волнового пакета» и «длина когерентности» в квантовой механике — разные физические величины. Кольцо на детекторе, словно отпечаток спирали, впервые позволило увидеть это различие воочию. Теперь, зная точные цифры, можно строить более чувствительные нейтронные интерферометры и лучше понимать, как ведут себя частицы на границе классического и квантового мира.
Волновой пакет нейтрона в этом опыте оказался сравним с размером небольшой бактерии — около двух микрометров, хотя сам нейтрон в тысячи раз меньше атомного ядра.
В романе «Анафем» Нила Стивенсона квантовые состояния разделяют с помощью сложных интерферометров — примерно так же, как здесь спиральный фронт отделил размер частицы от её когерентности.