Generation and detection of neutron orbital angular momentum

Abstract

In der Quantenmechanik kann ein Bahndrehimpuls (OAM) als eine azimutale Phasenstruktur, die auf eine Wellenfunktion aufgedruckt ist, verstanden werden. Wie sich herausstellt, kann jede azimutale Struktur durch Überlagerungen der OAM-Basisfunktionen eilφ beschrieben werden, wobei l eine ganze Zahl ist. Der Bahndrehimpuls ist dann gleich l ̄h. Daher kann OAM als ein diskreter quantenmechanischer Freiheitsgrad verstanden werden. Da diese Basisfunktionen auch Lösungen der zylindrischen Schrödinger Gleichung sind, folgt daraus, dass sogar freie Teilchen einen quantenmechanischen Bahndrehimpuls um die Flugachse besitzen können. Bei Neutronen wurden bisher drei weitere QM-Freiheitsgrade identifiziert: Energie, Position/Impuls und Spin. Die Hinzufügung eines vierten Freiheitsgrades wie OAM würde neue Möglichkeiten für Experimente zur Erforschung von Quanteninformation und Kontextualität eröffnen. Darüber hinaus weist verschiedene theoretische Literatur darauf hin, dass Neutronen, die OAM tragen, unterschiedlich mit Materie interagieren könnte. Die Erzeugung von Neutronen-OAM bleibt jedoch schwierig, aufgrund des niedrigen Flusses und der Kohärenz typischer Neutronenstrahlen. Ziel dieser Dissertation ist es, neue neutronenoptische Elemente für die Erzeugung von OAM in Neutronen zu identifizieren, zu entwickeln und zu testen. Insbesondere untersuche ich die Kopplung von Neutronen-Spins mit dem elektrischen Feld (Schwinger Effekt), die schwache Wechselwirkung zwischen Neutron und Kern sowie Methoden zur räumlichen Kohärenzmittelung. Mit einigen der in dieser Dissertation beschriebenen Geräte wurden erste Messungen zur Suche nach OAM-abhängigen Absorptionsquerschnitten in polarisiertem Helium-3 durchgeführt. Außerdem betrachten wir ein Experiment, das den Sagnac-Effekt misst, der aufgrund der Kopplung zwischen dem OAM der Neutronen und der Erdrotation entsteht. Schließlich schlagen wir vor, dass diese exotischen Messungen als nützliche OAM-Detektoren dienen könnten, da sie direkte Einblicke in das OAM der Teilchen bieten.

In quantum mechanics Orbital Angular Momentum (OAM) can be seen as an azimuthal phase structure imprinted on a wavefunction. As it turns out any azimuthal structure can be described using superpositions of the OAM basis functions, eilφ, where l, an integer, representing the OAM divided by hbar. OAM is therefore a discrete quantum mechanical (QM) degree of freedom. Since these basis functions are also solutions of the cylindrical Schrödinger equation it follows that even free particles can possess QM OAM around the flight axis. In neutrons so far three other QM degrees of freedom have been identified: energy, position/momentum and spin. The addition of a fourth degree of freedom such as OAM would open up new avenues for experiments exploring quantum information and contextuality. In addition, various theoretical literature points out that neutrons carrying OAM should interact differently with some types of matter. However, generation of neutron OAM remains difficult, due to the low flux and coherence of typical neutron beams. The aim of this thesis is to identify, develop and test new neutron optical equipment for the generation of OAM in neutrons. In particular I explore the neutron-spin electric field coupling (Schwinger effect), the neutron-nucleus weak interaction and space coherent averaging methods. Using some of the devices detailed in this thesis the first measurements towards the search for OAM dependent neutron absorption cross sections in polarized Helium-3 have been conducted. In addition, we look at an experiment measuring the Sagnac effect arising due to the coupling between a neutrons OAM and the rotation of the earth. Finally we propose that these exotic measurements may serve as useful OAM detectors, as they provide direct insight into the OAM of the particles.