Статья, объявляющая о результатах, появляется в сегодняшнем выпуске Physical Review Letters. Команду возглавлял Душан Саренак из Университета Буффало, а соавторы из Института квантовых вычислений (IQC) при Университете Ватерлоо в Канаде создали специальное устройство, которое помогло создать луч Эйри. В команду также входят ученые из Мэрилендского университета, Национальной лаборатории Ок-Риджа, Швейцарского института Пола Шеррера и немецкого центра нейтронных исследований в Юлихе при Центре Хайнца Майера-Лейбница.

В дополнение к следованию по траекториям в форме параболы, воздушные лучи ведут себя другими способами, которые могут противоречить интуиции. В отличие от обычного луча фонарика, они не рассеиваются по мере движения. Они даже обладают способностью к "самовосстановлению", что означает, что если препятствие блокирует часть луча, остальная часть луча восстанавливает свою первоначальную форму после прохождения препятствия.

В то время как другие исследовательские группы создали пучки Эйри из других частиц, таких как фотоны или электроны, преобразовать нейтроны в пучки Эйри сложнее. Линзы бессильны согнуть их, а поскольку нейтроны не имеют заряда, электрические поля на них не воздействуют. Команде нужен был новый подход.

Поэтому исследователи изготовили на заказ дифракционную решетку - квадрат из кремния размером с головку ластика для карандаша, испещренный крошечными линиями. Эти линии, расположенные более чем в шести миллионах квадратов диаметром в один микрометр и расположенные на точных расстояниях друг от друга, могут расщепить обычный пучок нейтронов на пучок Эйри.

В то время как идея поцарапать кусочек кремния в принципе проста, выяснить, как именно расположить царапины, чтобы получился воздушный луч, было совсем не просто.

"Нам потребовались годы работы, чтобы определить правильные размеры массива", - сказал соавтор Дмитрий Пушин, преподаватель IQC и профессор Университета Ватерлоо. "Нам потребовалось всего около 48 часов, чтобы вырезать решетку на заводе по нанопроизводству Университета Ватерлоо, но до этого на подготовку у аспиранта уходили годы".

По словам Хубера, пучки нейтронного излучения могли бы помочь средствам нейтронной визуализации лучше видеть. Они помогли бы увеличить разрешение сканирования или создать различные фокусные точки для более пристального рассмотрения определенных частей объектов, улучшив обычно используемые методы визуализации, такие как рассеяние нейтронов и дифракция нейтронов.

По словам Хубера, одной из самых заманчивых возможностей было бы найти способы объединить нейтронный пучок Эйри с другим типом нейтронного пучка.

"Мы думаем, что объединение нейтронных пучков могло бы расширить полезность пучков Эйри", - сказал Саренак. "Если кому-то нужны воздушные лучи, адаптированные для какой-либо физики или применения материалов, они могут усовершенствовать наши методы и получить их".

Например, ученые могли бы объединить нейтронный пучок Эйри со спиральной волной нейтронов, которую команда научилась создавать десять лет назад. Наложение двух лучей позволило бы ученым исследовать хиральность материала - характеристику, часто описываемую как "односторонность", когда молекула имеет две зеркально отраженные формы, которые могут обладать кардинально отличающимися свойствами.

Лучший способ исследовать и охарактеризовать хиральность мог бы способствовать разработке хиральных молекул со специфическими свойствами и функциями, потенциально революционизируя такие отрасли, как фармацевтика, материаловедение и химическое производство. Например, мировой рынок хиральных лекарственных средств ежегодно превышает 200 миллиардов долларов, а методы хирального катализа лежат в основе производства многих химических продуктов.

Хиральность также приобретает все большее значение для квантовых вычислений и других передовых электронных приложений, таких как спинтроника.

"Хиральность материала может влиять на то, как вращаются электроны, и мы могли бы использовать спин-поляризованные электроны для хранения и обработки информации", - сказал Хубер. "Управление им также могло бы помочь нам манипулировать кубитами, которые формируют строительные блоки квантовых компьютеров. Нейтронные пучки Эйри могли бы помочь нам гораздо эффективнее исследовать материалы с такими возможностями".