Title: Spin-rotation coupling in a neutron polarimeter experiment
Other Titles: Spin-Rotation Kopplung in einem Neutronenpolarimeter-Experiment
Language: English
Authors: Danner, Armin 
Qualification level: Diploma
Keywords: Spin; Rotation; neutronepolarimetrie
Spin; Rotation; neutron polarimeter
Advisor: Hasegawa, Yuji 
Assisting Advisor: Sponar, Stephan  
Issue Date: 2019
Number of Pages: 109
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Diese Diplomarbeit beschaftigt sich mit einem Effekt von Rotation auf den Neutronenspin S. Ein Mittel den Effekt quantenmechanisch zu beschreiben sind geometrische Phasen, deren Studium ein produktives Arbeitsfeld seit ihrer Einfiihrung durch Berry [1] sind. Eine von ihnen, verursacht durch Spin-Rotations-Kopplung, die in einem Hamiltonoperator als OMEGA· S geschrieben wird, wurde von Mashhoon und Co-Autoren in einer Reihe von Artikeln behandelt [2-4]. Sie schlagen darin vor, die Spin-Rotations-Kopplung in einem Interferometer-Experiment mit Neutronen zu isolieren und zu messen. Im letzten derartigen Artikel [4] regen die Autoren auch die Verwendung von Spinmanipulatoren an, die rotierende Magnetfelder erzeugen. Demirel et al. [5] haben den Aufbau zu einem Polarimeter-Experiment adaptiert und das rotierende Feld verwendet, das vom zentralen Spin-Manipulator in Form einer Spule, genannt ,Mashhoon-Box", erzeugt wird. Ihre Ergebnisse zeigen eine lineare Abhiingigkeit der Kopplungsphase von der Rotationsfrequenz. Ihr Experiment wurde vor allem dafiir kritisiert, sich mit einem nichtquantenmechanischen Effekt zu befassen. In einem anschlieBenden Versuch diesen Kritikpuukt zu klii.ren und den Effekt interferometrisch zu messen, hatten die Interferograrnme wegen unerwiinschter Phasenverschiebungen zwischen den Teilstrahlen geringen Kontrast. Die Phasenverschiebungen waren durch Wechselwirkung mit Material im Querschnitt des Neutronenstrahls induziert, verursacht durch die damalige Spulengeometrie der Mashhoon-Box. Dariiber hinaus leckte die Wasserkiihlung der Mashhoon-Box, die bei solchen Interferometer-Experimenten notig wird, und verunmoglichte weitere Messungen. Mit der vorliegenden Arbeit wurde ein erneuter Versuch vorbereitet, indem die Mashhoon-Box weiterentwickelt wurde. Die Bedingungen fiir den neuen Entwurf waren ein Fenster fiir den Neutronenstrahl frei von Material und ein plotzlicher Feldiibergang, wiihrend die Spule gleichzeitig in einem Interferometer eingebaut werden konnen muss. Drei unterschiedliche Designs wurden in einem Polarimeter getestet und ihre Felder simuliert: eine Spule mit Helmholtz-Geometrie, eine Miniatur der von Demirel et al. verwendeten und eine gerillte Spule. Die Helmholtz.-Spule hat einen Iangen Feldiibergang und konnte nicht geeignet genutzt werden. Die Miniatur hat Driihte im Fenster. Ihre Simulation zeigt einen plotzlichen Feldiibergang beim Einund Ausgang. Die Resultate von elementaren Spinmanipulationen mit der Miniatur im Polarimeter waren zufriedenstellend. Die gerillte Spule ist eine Kombination der anderen heiden Geometrien. Wahrend die Hillen die Driihte an den Seiten halten wie bei der Miniatur, sind die Driihte an Einund Ausgang des Fensters iiber und unter dem Fenster gewickelt wie bei der Helmholtz-Spule. Die gerillte Spule hat sich im Polarimeter als die beste erwiesen. Mit ihr wurde der Aufbau von Demirel et al. wiederhergestellt und deren Ergebnisse einer linearen Abhiingigkeit der Kopplungsphase von der Rotationsfrequenz reproduziert. Eine Wasserkiihlung fiir Neutroneninterferometrie wurde entwickelt, die der neuen Geometrie Rechnung triigt.

This thesis studies an effect of rotations on the spin of neutrons S. In quantum mechanics, one means to describe the effects are geometrical phases, whose study has been a productive field since their description by Berry [1]. The phase caused by spin-rotation coupling is written in a Hamiltonian as an additional term OMEGA· S with the rotations vector OMEGA. Mashhoon and co-authors proposed in a series of articles [2-4] experimental set-ups to single out and measure the spin-rotation coupling with neutrons in au interferometer experiment. The latest paper [4] furthermore suggests the use of spin manipulators which generate rotating magnetic fields. Demirel et a!. [5] adapted the set-up to a polarimeter experiment using the rotating magnetic field generated by the spin manipulator called the "Mashhoon box". Their results demonstrated a linear dependence of the phase shift from the frequency of rotation. Their experiment was mainly criticised to address a non-quantum mechanical effect. In a subsequent attempt to clarify this critisism and measure the phase interferometrically, the first interferograms had low contrast due to dephasing between the two sub-beams. The dephasing was induced by interaction with material in the cross-section of the neutron beam due to the geometry of the coil at that time. Furthermore, the Mashhoon box's water cooler, necessary in such au interferometer experiment, leaked and further measurements were impossible. With the present thesis, a second attempt is prepared by further developing the Mashhoon box. The specifications for the new design were a window for the neutron beam without material and a sudden field transition while the coil still has to be installable in a single crystal neutron interferometer. The magnetic fields of three main coil designs were studied by simulations and by testing them in a neutron polarimeter: a Hehnholtz geometry, a miniature of the coil Demirel et al. used, and a grooved coil. The Helmholtz coil has a long field transition and could not be properly operated in the polarimeter. The miniature has wires in the window. Its simulation shows a sudden field change at entry and exit. In the polarimeter, the results of basic spin manipulations with the miniature were good. The grooved coil is a combination of the two other geometries. While the grooves hold the wires on the sides of the window like in the geometry of the miniature, at the entry and exit of the window the wires are wound on top and bottom of the window like in the Hehnholtz geometry. The grooved coil prooved to be the best in the polarimeter. With it, the set-up of Demirel et a!. and the resulting linear dependence of the coupling phase from the frequency was reproduced. A water cooler for neutron interferometry was designed in adjustment to the new coil geometry.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-124120
http://hdl.handle.net/20.500.12708/8535
Library ID: AC15360955
Organisation: E141 - Atominstitut 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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