campi continui

Esperimenti di ottica materiale

 Interferometria con pennelli neutronici


Un pennello di neutronio termico viene prodotto da un reattore nucleare, viene poi raccolto e collimato. Pennelli di questo tipo sono stati utilizzati essenzialmente da H. Rauch (Rauch H. proc. 3rd Int. Symp. Foundations of Quantum Mechanics, Tokyo, 1989, pp 3-14) a partire dalla fine degli anni ’80 e sono stati usati sia interferometri basati sul biprisma, sia sull’interferometro alla Mach- Zender.
Un pennello di neutronio ha un comportamento analogo a quello di un pennello elettromagnetico per quanto riguarda la fenomenologia legata all’interferenza che si sta affrontando.

Descriviamo qui l’esperimento alla Mach- Zender, che viene realizzato secondo lo schema riportato qui sotto:

Schema alla mach-zender
Schema di interferometro per pennelli neutronici

Un pennello neutronico incide su un divisore di fascio A e si divide in due pennelli i quali, a loro volta vengono suddivisi dal divisore di fascio B. I due fasci più esterni, uscenti da B non entrano a far parte dell’esperimento. Gli altri due convergono in C dove, ciascuno di essi viene suddiviso in altri due pennelli che si sovrappongono all’uscita da C e vengono rivelati dai due rivelatori R1 ed R2. E’ chiara l’analogia con l’interferometro di Mach-Zender.
Nella sua realizzazione sperimentale i migliori risultati sono stati ottenuti col metodo detto “del cristallo perfetto”. L’interferometro è costituito da un monocristallo perfetto (cioè praticamente senza impurità o irregolarità) di Silicio, di circa 10 cm di lunghezza sagomato a forma di “E” come in figura.
Le sporgenze, dello spessore di qualche millimetro, sono perfettamente allineate e parallele (con una tolleranza inferiore a 1 Å). Il fascio neutronico incidente, prodotto da un reattore nucleare viene successivamente collimato a dare un fascio monocromatico con lunghezza d’onda di 1.8-1.9 Å. Esso viene suddiviso coerentemente 3 volte dalle 3 facce parallele sporgenti dal blocco di cristallo perfetto. La lastra centrale funge da specchio per i due fasci suddivisi dalla prima lastra.
Analogamente a quanto succede nella versione ottica elettromagnetica, se i due cammini ottici sono uguali in solo uno dei due rivelatori (e cioè R2) si riceve un segnale neutronico; se, invece, si altera il cammino “ottico” in uno dei due percorsi, per esempio inserendo una sbarretta di alluminio, l’intensità del fascio in ciascuno dei due rivelatori cambia in accordo con le regole dei fenomeni di interferenza.

Apparato esperimento di Mach-Zender

Interferometro per pennelli neutronici: lungo uno dei cammini
si vede il campione che sfasa i due pennelli

E’ importante notare che si può complicare un po’ l’esperimento inserendo nell’interferometro uno “sfasatore” di gadolinio lungo uno qualsiasi dei due percorsi; ciò che si osserva è che, in tal caso,  entrambi i rivelatori registreranno un segnale. L’analisi dettagliata dei dati sperimentali mostra ancora una volta inequivocabilmente che è possibile interpretare la fenomenologia attribuendo di volta in volta una specifica lunghezza d’onda al pennello neutronico.