Et enhedsdesign, der bruger neutroner, er aldrig før blevet bevist med succes, på trods af at teknikker til eksperimentel syntese og undersøgelse af orbital vinkelmomentum i fotoner og elektroner er blevet grundigt undersøgt. Neutroner har unikke egenskaber, derfor var forskerne nødt til at bygge nye værktøjer og udvikle friske tilgange til at arbejde med dem.
Forskere ved Institute for Quantum Computing (IQC) har udviklet en enhed, der producerer snoede neutroner med klart specificeret orbital vinkelmoment for første gang i eksperimentel historie. Denne banebrydende videnskabelige bedrift, som tidligere blev anset for umulig, tilbyder en helt ny måde for forskere at undersøge væksten af næste generations kvantematerialer, med anvendelser lige fra quantum computing at opdage og løse nye problemer inden for fundamental fysik.
Dr. Dusan Sarenac, en forskningsmedarbejder med IQC og teknisk leder af Transformative Quantum Technologies ved University of Waterloo, sagde: "neutroner er en kraftfuld sonde til karakterisering af nye kvantematerialer, fordi de har flere unikke egenskaber. De har nanometerstore bølgelængder, elektrisk neutralitet og en relativt stor masse. Disse egenskaber betyder, at neutroner kan passere gennem materialer, som røntgenstråler og lys ikke kan."
IQC og Institut for Fysik og Astronomi fakultetsmedlem Dr. Dmitry Pushin og hans gruppe byggede små siliciumgitterstrukturer, der ligner gafler til deres studier. Disse enheder er så små, at mere end seks millioner gaffelforskydningsfasegitre kan findes på kun 0.5 cm gange 0.5 cm. De individuelle neutroner begynder at sno sig i et proptrækkermønster, når en strøm af enkelte neutroner passerer gennem denne enhed. Et specialiseret neutronkamera optog neutronernes billeder, efter de havde rejst 19 meter. Gruppen bemærkede, at hver neutron var vokset til en 10 cm bred doughnut-formet spor.
Doughnut-mønsteret af de forplantede neutroner indikerer, at de er blevet sat i en speciel spiralformet tilstand, og at gruppens gitteranordninger har genereret neutronstråler med kvantiseret orbital vinkelmomentum, den første eksperimentelle præstation af sin art.
Dr. Dmitry Pushin, IQC og fakultetsmedlem ved Institut for Fysik og Astronomi ved Waterloo, sagde, "Neutroner har været populære i den eksperimentelle verifikation af fundamental fysik ved at bruge de tre let tilgængelige frihedsgrader: spin, sti og energi. I disse eksperimenter har vores gruppe muliggjort brugen af orbital vinkelmomentum i neutronstråler, hvilket giver en yderligere kvantiseret frihedsgrad. I den forbindelse udvikler vi en værktøjskasse til at karakterisere og undersøge komplicerede materialer, der er nødvendige for den næste generation af kvanteenheder såsom kvantesimulatorer og kvantecomputere."
Journal Reference:
- Dusan Sarenac, Melissa Henerson, et al. Eksperimentel realisering af neutronspiralformede bølger. Science Forskud. DOI: 10.1126/sciadv.add2002
