Ein Gerätedesign mit Neutronen konnte noch nie erfolgreich nachgewiesen werden, obwohl Techniken zur experimentellen Synthese und Untersuchung des Bahndrehimpulses in Photonen und Elektronen intensiv erforscht werden. Neutronen haben einzigartige Eigenschaften, daher mussten die Forscher neue Werkzeuge bauen und neue Ansätze für die Arbeit mit ihnen entwickeln.
Wissenschaftler am Institut für Quantencomputing (IQC) haben ein Gerät entwickelt, das verdrillte Neutronen mit klar spezifiziertem Orbital erzeugt Drehimpuls zum ersten Mal in der Experimentalgeschichte. Diese bahnbrechende wissenschaftliche Errungenschaft, die bisher für unmöglich gehalten wurde, bietet Wissenschaftlern eine völlig neue Möglichkeit, das Wachstum von Quantenmaterialien der nächsten Generation mit Anwendungen in den verschiedensten Bereichen zu untersuchen Quantencomputing zur Entdeckung und Lösung neuartiger Probleme der Grundlagenphysik.
Dr. Dusan Sarenac, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IQC und technischer Leiter für Transformative Quantum Technologies an der University of Waterloo, sagte: "Neutronen sind eine leistungsstarke Sonde für die Charakterisierung neuer Quantenmaterialien, da sie mehrere einzigartige Eigenschaften aufweisen. Sie haben Wellenlängen im Nanometerbereich, elektrische Neutralität und eine relativ große Masse. Diese Eigenschaften bedeuten, dass Neutronen Materialien durchdringen können, die Röntgenstrahlen und Licht nicht passieren können.“
IQC und Fakultätsmitglied der Fakultät für Physik und Astronomie, Dr. Dmitry Pushin, und seine Gruppe bauten für ihre Studien kleine Siliziumgitterstrukturen, die Gabeln ähneln. Diese Geräte sind so winzig, dass mehr als sechs Millionen Gabelversetzungsphasengitter auf nur 0.5 cm x 0.5 cm zu finden sind. Die einzelnen Neutronen beginnen sich in einem Korkenziehermuster zu drehen, während ein Strom einzelner Neutronen durch dieses Gerät fließt. Eine spezielle Neutronenkamera zeichnete die Bilder der Neutronen auf, nachdem sie 19 Meter zurückgelegt hatten. Die Gruppe bemerkte, dass jedes Neutron zu einer 10 cm breiten, donutförmigen Spur gewachsen war.
Das Donut-Muster der propagierten Neutronen weist darauf hin, dass sie in einen speziellen helikalen Zustand versetzt wurden und dass die Gittergeräte der Gruppe Neutronenstrahlen mit quantisiertem Bahndrehimpuls erzeugt haben, die erste experimentelle Leistung dieser Art.
Dr. Dmitry Pushin, IQC und Fakultätsmitglied der Fakultät für Physik und Astronomie in Waterloo, sagte, „Neutronen erfreuen sich bei der experimentellen Überprüfung grundlegender Physik großer Beliebtheit und nutzen die drei leicht zugänglichen Freiheitsgrade Spin, Weg und Energie. In diesen Experimenten hat unsere Gruppe die Nutzung des Bahndrehimpulses in Neutronenstrahlen ermöglicht und damit einen zusätzlichen quantisierten Freiheitsgrad geschaffen. Dabei entwickeln wir eine Toolbox zur Charakterisierung und Untersuchung komplizierter Materialien, die für die nächste Generation von Quantengeräten wie Quantensimulatoren und Quantencomputern benötigt werden.“
Journal Referenz:
- Dusan Sarenac, Melissa Henerson et al. Experimentelle Realisierung von Neutronenhelicalwellen. Wissenschaft Fortschritte. DOI: 10.1126/sciadv.add2002
