Конструкция устройства, использующего нейтроны, никогда ранее не была успешно проверена, несмотря на обширные исследования методов экспериментального синтеза и изучения орбитального углового момента фотонов и электронов. Нейтроны обладают уникальными свойствами, поэтому исследователям пришлось создавать новые инструменты и разрабатывать свежие подходы к работе с ними.
Ученые Института квантовых вычислений (IQC) разработали устройство, производящее закрученные нейтроны с четко заданными орбитальными числами. угловой момент впервые в истории экспериментов. Это революционное научное достижение, которое раньше считалось невозможным, предлагает ученым совершенно новый способ исследовать рост квантовых материалов следующего поколения с различными приложениями: квантовые вычисления к открытию и решению новых проблем фундаментальной физики.
Доктор Душан Саренак, научный сотрудник IQC и технический руководитель отдела трансформационных квантовых технологий в Университете Ватерлоо, сказал: Нейтроны являются мощным инструментом для характеристики новых квантовых материалов, поскольку они обладают несколькими уникальными особенностями. Они имеют длину волны нанометрового размера, электрическую нейтральность и относительно большую массу. Эти особенности означают, что нейтроны могут проходить сквозь материалы, которые не могут пройти рентгеновские лучи и свет».
Преподаватель IQC и кафедры физики и астрономии доктор Дмитрий Пушин и его группа построили для своих исследований небольшие кремниевые решетчатые структуры, напоминающие вилки. Эти устройства настолько миниатюрны, что всего лишь в размерах 0.5 на 0.5 см можно найти более шести миллионов фазовых решеток вилочных дислокаций. Отдельные нейтроны начинают скручиваться по образцу штопора, когда поток одиночных нейтронов проходит через это устройство. Специализированная нейтронная камера записала изображения нейтронов после того, как они пролетели 19 метров. Группа заметила, что каждый нейтрон превратился в след в форме бублика шириной 10 см.
Кольцевая форма распространяющихся нейтронов указывает на то, что они были помещены в особое спиральное состояние и что решеточные устройства группы генерировали нейтронные пучки с квантованным орбитальным угловым моментом, что является первым экспериментальным достижением такого рода.
Доктор Дмитрий Пушин, преподаватель IQC и факультета физики и астрономии Ватерлоо, — сказал, «Нейтроны были популярны в экспериментальной проверке фундаментальной физики, используя три легко доступные степени свободы: спин, путь и энергию. В этих экспериментах наша группа позволила использовать орбитальный угловой момент в нейтронных пучках, обеспечив дополнительную квантованную степень свободы. При этом мы разрабатываем набор инструментов для характеристики и исследования сложных материалов, необходимых для квантовых устройств следующего поколения, таких как квантовые симуляторы и квантовые компьютеры».
Справочник журнала:
- Душан Саренак, Мелисса Хенерсон и др. Экспериментальная реализация нейтронных винтовых волн. Наука развивается, DOI: 10.1126/sciadv.add2002
