Nigdy wcześniej konstrukcja urządzenia wykorzystującego neutrony nie została pomyślnie sprawdzona, pomimo szeroko zakrojonych badań nad technikami syntezy eksperymentalnej i badania orbitalnego momentu pędu w fotonach i elektronach. Neutrony mają unikalne właściwości, dlatego badacze musieli zbudować nowe narzędzia i opracować nowe podejście do pracy z nimi.
Naukowcy z Instytutu Obliczeń Kwantowych (IQC) opracowali urządzenie wytwarzające skręcone neutrony o wyraźnie określonych orbitach moment pędu po raz pierwszy w historii eksperymentów. To przełomowe osiągnięcie naukowe, które wcześniej uważano za niemożliwe, oferuje naukowcom zupełnie nowy sposób badania rozwoju materiałów kwantowych nowej generacji, z zastosowaniami sięgającymi od informatyka kwantowa do odkrywania i rozwiązywania nowych problemów w fizyce podstawowej.
Dr Dusan Sarenac, pracownik naukowy w IQC i kierownik techniczny Transformative Quantum Technologies na Uniwersytecie Waterloo, powiedział: "neutrony stanowią potężną sondę do charakteryzowania pojawiających się materiałów kwantowych, ponieważ mają kilka unikalnych cech. Mają długość fal rzędu nanometrów, neutralność elektryczną i stosunkowo dużą masę. Te cechy oznaczają, że neutrony mogą przenikać przez materiały, których nie potrafią promienie rentgenowskie i światło.
IQC oraz pracownik Wydziału Fizyki i Astronomii, dr Dmitry Pushin, wraz ze swoją grupą zbudowali na potrzeby swoich badań małe krzemowe struktury przypominające widelce. Urządzenia te są tak maleńkie, że można znaleźć ponad sześć milionów siatek fazy dyslokacji widełkowej o wymiarach zaledwie 0.5 cm na 0.5 cm. Poszczególne neutrony zaczynają się skręcać w sposób korkociągowy, gdy strumień pojedynczych neutronów przechodzi przez to urządzenie. Specjalistyczna kamera neutronowa zarejestrowała zdjęcia neutronów po przebyciu 19 metrów. Grupa zauważyła, że każdy neutron urósł do kształtu pierścienia w kształcie pączka o szerokości 10 cm.
Wzór pierścieniowy propagowanych neutronów wskazuje, że zostały one wprowadzone w specjalny stan helikalny, a urządzenia siatkowe grupy wygenerowały wiązki neutronów o skwantowanym orbitalnym momencie pędu, co jest pierwszym eksperymentalnym osiągnięciem tego typu.
Dr Dmitry Pushin, IQC i członek wydziału Wydziału Fizyki i Astronomii Waterloo, powiedziany, „Neutrony cieszą się popularnością w eksperymentalnej weryfikacji podstawowych fizyki, wykorzystując trzy łatwo dostępne stopnie swobody: spin, ścieżkę i energię. W tych eksperymentach nasza grupa umożliwiła wykorzystanie orbitalnego momentu pędu w wiązkach neutronów, zapewniając dodatkowy skwantowany stopień swobody. W ten sposób opracowujemy zestaw narzędzi do charakteryzowania i badania skomplikowanych materiałów potrzebnych do budowy urządzeń kwantowych nowej generacji, takich jak symulatory kwantowe i komputery kwantowe”.
Referencje czasopisma:
- Dusan Sarenac, Melissa Henerson i in. Eksperymentalna realizacja spiralnych fal neutronowych. Postępy nauki, DOI: 10.1126/sciadv.add2002
