Neutronen kann man sich nicht wie winzige Kügelchen vorstellen, sie haben Welleneigenschaften, ähnlich wie Licht. Bewiesen wurde das auf spektakuläre Weise 1974 am Kernreaktor des Atominstituts – und genau hier gelang es nun, diese Wellennatur der Neutronen auf neuartige Weise auszunutzen: Ein Messgerät wurde entwickelt, das den Drehimpuls der Neutronen auf besonders clevere Art für Experimente verwenden kann. Nicht nur der Eigendrehimpuls – der Spin – sondern auch der Bahndrehimpuls, der mit der Wellenform des Neutrons zusammenhängt, kann hier angepasst werden.

Spin-Echo-Interferometer

Der Spin von Neutronen kann sich in einem Magnetfeld ändern, ein bisschen so, wie sich auch die Drehachse der Erde im Lauf der Zeit langsam ändert. Dieses Phänomen der Spin-Präzession nutzt man in bestimmten Messgeräten aus – in sogenannten Spin-Echo-Interferometern. Dabei wird ein Neutronenstrahl in zwei Teile aufgespalten, die beiden Teilstrahlen reagieren unterschiedlich auf ein Magnetfeld und werden am Ende wieder miteinander kombiniert. Ob sich die beiden Teilstrahlen dann wieder perfekt zu einem gemeinsamen Neutronenstrahl vereinen lassen, oder ob sie sich dann möglicherweise sogar gegenseitig auslöschen, hängt ganz empfindlich davon ab, was mit den Neutronen unterwegs geschehen ist. Selbst winzige Wechselwirkungen haben eine starke, deutlich messbare Auswirkung auf das Endergebnis. „Das gibt uns völlig neue Möglichkeiten für Präzisionsexperimente“, sagt Prof. Hartmut Abele, Leiter der Neutonen- und Quantenphysik Gruppe am Atominstitut.

Ein weiterer entscheidender Vorteil der neuen Methode: Bisher war man oft darauf angewiesen, dass die eingesetzten Neutronen alle möglichst genau dieselbe Geschwindigkeit haben. Das bedeutet: Man muss alle Neutronen entfernen, deren Geschwindigkeit nicht genau passt, somit bleiben nur wenige Neutronen für die Messung übrig. Das neue Gerät arbeitet mit Neutronenstrahlen, die ganz uneinheitlich aus Neutronen unterschiedlicher Geschwindigkeit zusammengesetzt sind – man spricht in diesem Fall von „weißen“ Neutronenstrahlen. „Das erhöht die Messeffizienz ganz deutlich“, sagt Niels Geerits, Erstautor der vorliegenden Studie. „Das bedeutet: Wir brauchen für dieses neue Gerät keine Hochleistungsneutronenquelle, wir können es an unserem eigenen Forschungsreaktor am Atominstitut verwenden.“

Wellen, die sich drehen: „Orbital Angular Momentum“ (OAM) - Zustände

An der TU Wien ging man nun allerdings einen großen Schritt weiter: „Unser neues Gerät CANISIUS kann die Neutronenwellen nicht nur messen, sondern auch gezielt formen“, sagt Stephan Sponar vom Atominstitut der TU Wien, federführender Forscher bei der Entwicklung und Aufbau des neuen Spin-Echo Instruments. Man nützt die Wellennatur der Neutronen aus, um nicht den Neutronenspin, sondern eine andere Sorte von Drehimpuls zu manipulieren. Wenn man die beiden Teilstrahlen auf geeignete Weise trennt und wieder zusammenfügt, kann man eine Neutronenwelle erzeugen, die eine räumliche Drehung hat, so ähnlich wie der Wasserstrom, der in den Abfluss fließt. In diesem Fall spricht man von einem „Bahndrehimpuls“ der Neutronen.