Голографический подход к генерированию спиральных волновых фронтов нейтронов, несущих четко определенный ОУМ. (A) СЭМ-изображения, характеризующие массив вилкообразных фазовых решеток, используемых для генерации спиральных волновых фронтов нейтронов. Массивы занимали площадь 0,5 см х 0,5 см и состояли из 6 250 000 отдельных вилкообразных фазовых решеток размерами 1 мкм на 1 мкм, которые имели период 120 нм, высоту 500 нм и были разделены на 1 мкм на каждой стороны. В эксперименте использовались три массива с топологическими зарядами q = 0 (стандартный профиль решетки), q = 3 (показан здесь) и q = 7. (B) Каждая фазовая решетка генерирует дифракционные спектры, состоящие из порядков дифракции (m), которые несут четко определенное значение OAM ℓ = mħq. (C) Интенсивность в дальнем поле представляет собой сумму сигналов от всех отдельных фазовых решеток вилочной дислокации. Показан пример собранных данных малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН). Кредит:Научные достижения (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add2002

Впервые в истории экспериментов исследователи из Института квантовых вычислений (IQC) создали устройство, которое генерирует закрученные нейтроны с четко определенным орбитальным угловым моментом. Это новаторское научное достижение, ранее считавшееся невозможным, предоставляет исследователям совершенно новый путь для изучения разработки квантовых материалов следующего поколения с приложениями, варьирующимися от квантовых вычислений до выявления и решения новых проблем в фундаментальной физике.

«Нейтроны — это мощный инструмент для характеристики новых квантовых материалов, поскольку они обладают рядом уникальных особенностей», — сказал доктор Душан Саренак, научный сотрудник IQC и технический руководитель Transformative Quantum Technologies в Университете Ватерлоо. «У них длина волны нанометрового размера, электрическая нейтральность и относительно большая масса. Эти особенности означают, что нейтроны могут проходить через материалы, чего не могут рентгеновские лучи и свет».

В то время как методы экспериментального получения и анализа орбитального углового момента фотонов и электронов хорошо изучены, конструкция устройства с использованием нейтронов до сих пор никогда не демонстрировалась. Из-за их отличительных характеристик исследователям пришлось сконструировать новые устройства и создать новые методы работы с нейтронами.

В своих экспериментах доктор Дмитрий Пушин, сотрудник IQC и факультета физики и астрономии Университета Ватерлоо, и его команда построили микроскопические вилкообразные структуры кремниевых решеток. Эти устройства настолько малы, что на площади всего 0,5 см на 0,5 см находится более шести миллионов отдельных фазовых решеток вильчатой ​​дислокации.

Когда пучок одиночных нейтронов проходит через это устройство, отдельные нейтроны начинают закручиваться в виде штопора. Пройдя 19 метров, изображение нейтронов было получено с помощью специальной нейтронной камеры. Группа заметила, что каждый нейтрон расширился до пончиковой сигнатуры шириной 10 см.

Кольцевая структура распространяющихся нейтронов указывает на то, что они были помещены в особое спиральное состояние и что решетчатые устройства группы генерировали пучки нейтронов с квантованным орбитальным угловым моментом, что является первым экспериментальным достижением такого рода.

«Нейтроны были популярны в экспериментальной проверке фундаментальной физики с использованием трех легкодоступных степеней свободы: спина, пути и энергии», — сказал Пушин.

«В этих экспериментах наша группа позволила использовать орбитальный угловой момент в пучках нейтронов, что, по сути, обеспечит дополнительную квантованную степень свободы. При этом мы разрабатываем набор инструментов для характеристики и исследования сложных материалов, необходимых для следующего поколения квантовых устройств, таких как квантовые симуляторы и квантовые компьютеры».

Недавно в журнале Science Advances была опубликована статья «Экспериментальная реализация нейтронных спиральных волн» Саренака, Пушина и их сотрудников из Университета Ватерлоо, Национального института стандартов и технологий и Окриджской национальной лаборатории.