Ένας σχεδιασμός συσκευής που χρησιμοποιεί νετρόνια δεν έχει αποδειχθεί ποτέ επιτυχώς, παρά τις τεχνικές για την πειραματική σύνθεση και τη μελέτη της τροχιακής γωνιακής ορμής σε φωτόνια και ηλεκτρόνια που έχουν ερευνηθεί εκτενώς. Τα νετρόνια έχουν μοναδικές ιδιότητες, επομένως, οι ερευνητές έπρεπε να κατασκευάσουν νέα εργαλεία και να αναπτύξουν νέες προσεγγίσεις για να δουλέψουν μαζί τους.
Επιστήμονες στο Ινστιτούτο Κβαντικών Υπολογιστών (IQC) ανέπτυξαν μια συσκευή που παράγει στριμμένα νετρόνια με σαφώς καθορισμένο τροχιακό στροφορμή για πρώτη φορά στην πειραματική ιστορία. Αυτό το πρωτοποριακό επιστημονικό επίτευγμα, το οποίο προηγουμένως θεωρείτο αδύνατο, προσφέρει στους επιστήμονες έναν ολοκαίνουργιο τρόπο να διερευνήσουν την ανάπτυξη κβαντικών υλικών επόμενης γενιάς, με εφαρμογές που κυμαίνονται από κβαντική υπολογιστική στην ανακάλυψη και επίλυση νέων προβλημάτων στη θεμελιώδη φυσική.
Ο Δρ. Dusan Sarenac, επιστημονικός συνεργάτης με το IQC και τεχνικός επικεφαλής των Μετασχηματιστικών Κβαντικών Τεχνολογιών στο Πανεπιστήμιο του Βατερλό, είπε: "Νετρόνια είναι ένας ισχυρός ανιχνευτής για τον χαρακτηρισμό των αναδυόμενων κβαντικών υλικών επειδή έχουν πολλά μοναδικά χαρακτηριστικά. Έχουν μήκη κύματος μεγέθους νανομέτρων, ηλεκτρική ουδετερότητα και σχετικά μεγάλη μάζα. Αυτά τα χαρακτηριστικά σημαίνουν ότι τα νετρόνια μπορούν να περάσουν μέσα από υλικά που οι ακτίνες Χ και το φως δεν μπορούν».
Το μέλος του διδακτικού προσωπικού του IQC και του Τμήματος Φυσικής και Αστρονομίας Δρ. Ντμίτρι Πούσιν και η ομάδα του κατασκεύασαν μικρές δομές πλέγματος πυριτίου που μοιάζουν με πιρούνια για τις σπουδές τους. Αυτές οι συσκευές είναι τόσο μικροσκοπικές που μπορούν να βρεθούν περισσότερες από έξι εκατομμύρια σχάρες φάσης εξάρθρωσης πιρουνιού σε μόνο 0.5 cm επί 0.5 cm. Τα μεμονωμένα νετρόνια αρχίζουν να συστρέφονται με ένα τιρμπουσόν καθώς ένα ρεύμα μεμονωμένων νετρονίων διέρχεται από αυτήν τη συσκευή. Μια εξειδικευμένη κάμερα νετρονίων κατέγραψε τις εικόνες των νετρονίων αφού ταξίδεψαν 19 μέτρα. Η ομάδα παρατήρησε ότι κάθε νετρόνιο είχε μεγαλώσει σε ένα ίχνος πλάτους 10 εκατοστών σε σχήμα ντόνατ.
Το σχέδιο ντόνατ των διαδοθέντων νετρονίων δείχνει ότι έχουν τεθεί σε μια ειδική ελικοειδή κατάσταση και ότι οι συσκευές πλέγματος της ομάδας έχουν δημιουργήσει δέσμες νετρονίων με κβαντισμένη τροχιακή γωνιακή ορμή, το πρώτο πειραματικό επίτευγμα του είδους του.
Δρ. Dmitry Pushin, IQC και μέλος ΔΕΠ του Τμήματος Φυσικής και Αστρονομίας στο Waterloo, είπε, «Τα νετρόνια ήταν δημοφιλή στην πειραματική επαλήθευση της θεμελιώδους φυσικής, χρησιμοποιώντας τους τρεις εύκολα προσβάσιμους βαθμούς ελευθερίας: σπιν, διαδρομή και ενέργεια. Σε αυτά τα πειράματα, η ομάδα μας επέτρεψε τη χρήση της τροχιακής γωνιακής ορμής σε δέσμες νετρονίων, παρέχοντας έναν επιπλέον κβαντισμένο βαθμό ελευθερίας. Με αυτόν τον τρόπο, αναπτύσσουμε μια εργαλειοθήκη για τον χαρακτηρισμό και την εξέταση περίπλοκων υλικών που χρειάζονται για την επόμενη γενιά κβαντικών συσκευών, όπως κβαντικούς προσομοιωτές και κβαντικούς υπολογιστές».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Dusan Sarenac, Melissa Henerson, et al. Πειραματική υλοποίηση ελικοειδών κυμάτων νετρονίων. Προκαταβολές ΕπιστήμηΕ DOI: 10.1126/sciadv.add2002
