Een apparaatontwerp waarbij gebruik wordt gemaakt van neutronen is nog nooit eerder met succes bewezen, ondanks dat er uitgebreid onderzoek is gedaan naar technieken voor de experimentele synthese en studie van orbitaal impulsmoment in fotonen en elektronen. Neutronen hebben unieke eigenschappen, daarom moesten de onderzoekers nieuwe instrumenten bouwen en nieuwe benaderingen ontwikkelen om ermee te werken.
Wetenschappers van het Institute for Quantum Computing (IQC) hebben een apparaat ontwikkeld dat gedraaide neutronen produceert met duidelijk gespecificeerde orbitale impulsmoment voor het eerst in de experimentele geschiedenis. Deze baanbrekende wetenschappelijke prestatie, die voorheen voor onmogelijk werd gehouden, biedt wetenschappers een geheel nieuwe manier om de groei van de volgende generatie kwantummaterialen te onderzoeken, met toepassingen variërend van quantum computing aan het ontdekken en oplossen van nieuwe problemen in de fundamentele natuurkunde.
Dr. Dusan Sarenac, onderzoeksmedewerker bij IQC en technisch hoofd van Transformative Quantum Technologies aan de Universiteit van Waterloo, zei: "neutronen zijn een krachtige sonde voor de karakterisering van opkomende kwantummaterialen omdat ze verschillende unieke kenmerken hebben. Ze hebben golflengten van nanometerformaat, elektrische neutraliteit en een relatief grote massa. Deze kenmerken zorgen ervoor dat neutronen door materialen kunnen dringen die röntgenstraling en licht niet kunnen.”
IQC en lid van de faculteit Natuur- en Sterrenkunde Dr. Dmitry Pushin en zijn groep bouwden voor hun studies kleine siliciumroosterstructuren die op vorken leken. Deze apparaten zijn zo minuscuul dat er meer dan zes miljoen vorkdislocatiefaseroosters te vinden zijn in slechts 0.5 cm bij 0.5 cm. De individuele neutronen beginnen te draaien in een kurkentrekkerpatroon terwijl een stroom afzonderlijke neutronen door dit apparaat stroomt. Een gespecialiseerde neutronencamera nam de beelden van de neutronen op nadat ze 19 meter hadden afgelegd. De groep merkte dat elk neutron was uitgegroeid tot een donutvormig spoor van 10 cm breed.
Het donutpatroon van de voortgeplante neutronen geeft aan dat ze in een speciale spiraalvormige toestand zijn gebracht en dat de roosterapparaten van de groep neutronenbundels hebben gegenereerd met een gekwantiseerd orbitaal impulsmoment, de eerste experimentele prestatie in zijn soort.
Dr. Dmitry Pushin, IQC en faculteitslid van de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde in Waterloo, zei, “Neutronen zijn populair geweest bij de experimentele verificatie van fundamentele natuurkunde, waarbij gebruik werd gemaakt van de drie gemakkelijk toegankelijke vrijheidsgraden: spin, pad en energie. In deze experimenten heeft onze groep het gebruik van orbitaal impulsmoment in neutronenbundels mogelijk gemaakt, wat een extra gekwantiseerde vrijheidsgraad oplevert. Daarbij ontwikkelen we een toolbox om ingewikkelde materialen te karakteriseren en te onderzoeken die nodig zijn voor de volgende generatie kwantumapparaten zoals kwantumsimulators en kwantumcomputers.”
Journal Reference:
- Dusan Sarenac, Melissa Henerson, et al. Experimentele realisatie van spiraalvormige neutronengolven. Wetenschap Advances DOI: 10.1126/sciadv.add2002
