En enhetsdesign som använder neutroner har aldrig tidigare framgångsrikt bevisats, trots att tekniker för experimentell syntes och studier av orbital rörelsemängd i fotoner och elektroner har undersökts omfattande. Neutroner har unika egenskaper, därför var forskarna tvungna att bygga nya verktyg och utveckla nya metoder för att arbeta med dem.
Forskare vid Institute for Quantum Computing (IQC) har utvecklat en enhet som producerar vridna neutroner med tydligt specificerad orbital vinkelmoment för första gången i experimenthistorien. Denna banbrytande vetenskapliga prestation, som tidigare ansågs omöjlig, erbjuder ett helt nytt sätt för forskare att undersöka tillväxten av nästa generations kvantmaterial, med tillämpningar som sträcker sig från kvantkalkylering att upptäcka och lösa nya problem inom fundamental fysik.
Dr Dusan Sarenac, en forskarassistent med IQC och teknisk ledare för Transformative Quantum Technologies vid University of Waterloo, sa: "neutroner är en kraftfull sond för karakterisering av framväxande kvantmaterial eftersom de har flera unika egenskaper. De har nanometerstora våglängder, elektrisk neutralitet och en relativt stor massa. Dessa egenskaper betyder att neutroner kan passera genom material som röntgenstrålar och ljus inte kan."
IQC och Institutionen för fysik och astronomi, fakultetsmedlem Dr. Dmitry Pushin och hans grupp byggde små kiselgitterstrukturer som liknade gafflar för sina studier. Dessa enheter är så små att mer än sex miljoner gaffeldislokationsfasgaller kan hittas på endast 0.5 cm gånger 0.5 cm. De individuella neutronerna börjar vrida sig i ett korkskruvsmönster när en ström av enstaka neutroner passerar genom denna enhet. En specialiserad neutronkamera registrerade neutronernas bilder efter att de färdats 19 meter. Gruppen märkte att varje neutron hade växt till en 10 cm bred munkformad spår.
Munkmönstret för de fortplantade neutronerna indikerar att de har försatts i ett speciellt spiralformigt tillstånd och att gruppens gitteranordningar har genererat neutronstrålar med kvantiserat omloppsrörelsemängd, den första experimentella bedriften i sitt slag.
Dr. Dmitry Pushin, IQC och fakultetsmedlem vid Institutionen för fysik och astronomi vid Waterloo, sade, "Neutroner har varit populära i den experimentella verifieringen av fundamental fysik, med hjälp av de tre lättillgängliga frihetsgraderna: spinn, väg och energi. I dessa experiment har vår grupp möjliggjort användningen av orbital vinkelmoment i neutronstrålar, vilket ger en ytterligare kvantiserad frihetsgrad. Genom att göra det utvecklar vi en verktygslåda för att karakterisera och undersöka komplicerade material som behövs för nästa generations kvantenheter som kvantsimulatorer och kvantdatorer."
Tidskriftsreferens:
- Dusan Sarenac, Melissa Henerson, et al. Experimentell realisering av neutronspiralvågor. Vetenskap Förskott. DOI: 10.1126/sciadv.add2002
