Po raz pierwszy w historii eksperymentów naukowcy z Institute for Quantum Computing (IQC) stworzyli urządzenie, które generuje skręcone neutrony z dobrze zdefiniowanym orbitalnym momentem pędu. To przełomowe osiągnięcie naukowe, wcześniej uważane za niemożliwe, otwiera przed naukowcami zupełnie nową drogę do badania rozwoju materiałów kwantowych nowej generacji w zastosowaniach od obliczeń kwantowych po identyfikowanie i rozwiązywanie nowych problemów w fizyce podstawowej.
„Neutrony są potężną sondą do charakteryzowania pojawiających się materiałów kwantowych, ponieważ mają kilka unikalnych cech” – powiedział dr Dusan Sarenac, pracownik naukowy w IQC i kierownik techniczny Transformative Quantum Technologies na University of Waterloo. „Mają długość fali rzędu nanometrów, neutralność elektryczną i stosunkowo dużą masę. Te cechy oznaczają, że neutrony mogą przechodzić przez materiały, których nie przepuszczają promienie rentgenowskie i światło”.
Chociaż metody eksperymentalnej produkcji i analizy orbitalnego momentu pędu fotonów i elektronów są dobrze zbadane, do tej pory nigdy nie zademonstrowano projektu urządzenia wykorzystującego neutrony. Ze względu na ich odmienne cechy naukowcy musieli skonstruować nowe urządzenia i opracować nowe metody pracy z neutronami.
W swoich eksperymentach dr Dmitry Pushin, IQC i członek Wydziału Fizyki i Astronomii w Waterloo, wraz ze swoim zespołem skonstruował mikroskopijne, przypominające widełki krzemowe struktury siatkowe. Urządzenia te są tak maleńkie, że na obszarze o wymiarach zaledwie 0,5 cm na 0,5 cm znajduje się ponad sześć milionów pojedynczych siatek fazowych dyslokacji widełkowych. Gdy wiązka pojedynczych neutronów przechodzi przez to urządzenie, poszczególne neutrony zaczynają się nawijać na wzór korkociągu. Po przebyciu 19 metrów wykonano zdjęcie neutronów za pomocą specjalnej kamery neutronowej. Grupa zaobserwowała, że każdy neutron rozszerzył się do sygnatury przypominającej pączek o szerokości 10 cm.
Wzór pierścieniowy propagowanych neutronów wskazuje, że zostały one umieszczone w specjalnym stanie spiralnym i że urządzenia siatkowe grupy wygenerowały wiązki neutronów ze skwantowanym orbitalnym momentem pędu, co jest pierwszym eksperymentalnym osiągnięciem tego rodzaju.
„Neutrony były popularne w eksperymentalnej weryfikacji fundamentalnej fizyki, wykorzystując trzy łatwo dostępne stopnie swobody: spin, ścieżkę i energię” – powiedział Pushin. „W tych eksperymentach nasza grupa umożliwiła wykorzystanie orbitalnego momentu pędu w wiązkach neutronów, co zasadniczo zapewni dodatkowy skwantowany stopień swobody. Robiąc to, opracowujemy zestaw narzędzi do charakteryzowania i badania skomplikowanych materiałów potrzebnych następnej generacji urządzeń kwantowych, takich jak symulatory kwantowe i komputery kwantowe”.
Artykuł Eksperymentalna realizacja neutronowych fal helikalnych autorstwa Sarenaca, Pushina i współpracowników z University of Waterloo, National Institute of Standards and Technology oraz Oak Ridge National Laboratory został niedawno opublikowany w czasopiśmie Science Advances. Badania zostały sfinansowane przez TQT, czyli inicjatywę Canada First Research Excellence Fund. Urządzenia eksperymentalne powstały w Quantum Nano Fabrication and Characterization Facility na Uniwersytecie Waterloo.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Waterloo. Uwaga: treść może być edytowana pod kątem stylu i długości.