La progettazione di un dispositivo che utilizza neutroni non è mai stata dimostrata con successo prima, nonostante le tecniche per la sintesi sperimentale e lo studio del momento angolare orbitale nei fotoni e negli elettroni siano state ampiamente studiate. I neutroni hanno proprietà uniche, pertanto i ricercatori hanno dovuto costruire nuovi strumenti e sviluppare nuovi approcci per lavorare con essi.
Gli scienziati dell'Institute for Quantum Computing (IQC) hanno sviluppato un dispositivo che produce neutroni contorti con orbitali chiaramente specificati momento angolare per la prima volta nella storia sperimentale. Questo risultato scientifico rivoluzionario, precedentemente ritenuto impossibile, offre agli scienziati un modo completamente nuovo di studiare la crescita dei materiali quantistici di prossima generazione, con applicazioni che vanno dalla calcolo quantistico alla scoperta e alla risoluzione di nuovi problemi di fisica fondamentale.
Il dottor Dusan Sarenac, ricercatore associato presso IQC e responsabile tecnico delle tecnologie quantistiche trasformative presso l'Università di Waterloo, ha affermato: "neutroni sono una potente sonda per la caratterizzazione dei materiali quantistici emergenti perché hanno diverse caratteristiche uniche. Hanno lunghezze d'onda nanometriche, neutralità elettrica e una massa relativamente grande. Queste caratteristiche fanno sì che i neutroni possano passare attraverso materiali che i raggi X e la luce non possono”.
Il dottor Dmitry Pushin, membro della facoltà dell'IQC e del Dipartimento di Fisica e Astronomia, e il suo gruppo hanno costruito piccole strutture reticolari in silicio simili a forchette per i loro studi. Questi dispositivi sono così minuscoli che più di sei milioni di reticoli di fase di dislocazione a forcella possono essere trovati in soli 0.5 x 0.5 cm. I singoli neutroni iniziano a torcersi secondo uno schema a cavatappi mentre un flusso di singoli neutroni passa attraverso questo dispositivo. Una telecamera specializzata per neutroni ha registrato le immagini dei neutroni dopo aver percorso 19 metri. Il gruppo notò che ogni neutrone era cresciuto fino a formare una traccia a forma di ciambella larga 10 cm.
La struttura a ciambella dei neutroni propagati indica che sono stati posti in uno speciale stato elicoidale e che i dispositivi a reticolo del gruppo hanno generato fasci di neutroni con momento angolare orbitale quantizzato, il primo risultato sperimentale di questo genere.
Dr. Dmitry Pushin, IQC e membro della facoltà del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Waterloo, disse, “I neutroni sono stati popolari nella verifica sperimentale della fisica fondamentale, utilizzando i tre gradi di libertà facilmente accessibili: rotazione, percorso ed energia. In questi esperimenti, il nostro gruppo ha consentito l'uso del momento angolare orbitale nei fasci di neutroni, fornendo un ulteriore grado di libertà quantizzato. In tal modo, stiamo sviluppando una serie di strumenti per caratterizzare ed esaminare i materiali complicati necessari per la prossima generazione di dispositivi quantistici come simulatori quantistici e computer quantistici”.
Riferimento della Gazzetta:
- Dusan Sarenac, Melissa Henerson et al. Realizzazione sperimentale di onde elicoidali di neutroni. Anticipi Scienza. DOI: 10.1126/sciadv.add2002
