"Нейтроны являются мощным зондом для характеристики новых квантовых материалов, потому что они обладают рядом уникальных свойств", - сказал доктор Душан Саренак, научный сотрудник IQC и технический руководитель отдела преобразующих квантовых технологий Университета Ватерлоо. "Они имеют длину волны нанометрового размера, электрическую нейтральность и относительно большую массу. Эти особенности означают, что нейтроны могут проходить через материалы, которые рентгеновские лучи и свет не могут ".

В то время как методы экспериментального получения и анализа орбитального момента импульса фотонов и электронов хорошо изучены, конструкция устройства, использующего нейтроны, 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 сконструировали микроскопические кремниевые решетки, похожие на вилки. Эти устройства настолько малы, что на площади всего 0,5 см на 0,5 см имеется более шести миллионов отдельных фазовых решеток с вилочной дислокацией. Когда пучок одиночных нейтронов проходит через это устройство, отдельные нейтроны начинают закручиваться в штопор. После прохождения 19 метров изображение нейтронов было получено с помощью специальной нейтронной камеры. Группа заметила, что каждый нейтрон расширился до сигнатуры, похожей на пончик шириной 10 см.

Форма распространяющихся нейтронов в виде бублика указывает на то, что они были переведены в особое спиральное состояние и что решетчатые устройства группы генерировали пучки нейтронов с квантованным орбитальным моментом импульса, что является первым экспериментальным достижением такого рода.

"Нейтроны были популярны при экспериментальной проверке фундаментальной физики, используя три легкодоступные степени свободы: спин, траекторию и энергию", - сказал Пушин. "В этих экспериментах наша группа позволила использовать орбитальный момент импульса в нейтронных пучках, что, по существу, 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".

Статья "Экспериментальная реализация спиральных волн нейтронов" Саренака, Пушина и их сотрудников из Университета Ватерлоо, Национального института стандартов и технологий и Национальной лаборатории Ок-Риджа была недавно опубликована в журнале Science Advances. Исследование финансировалось через TQT, который является первой канадской инициативой Фонда передового опыта в области исследований. Экспериментальные устройства были созданы в Центре квантового нанопроизводства и определения характеристик в Университете Ватерлоо.