全息方法生成携带明确定义的OAM的中子螺旋波前。（A）SEM图像表征用于产生中子螺旋波前的叉位错相位光栅阵列。阵列覆盖0.5 cm x 0.5 cm的区域，由6，250，000个单独的1 μm–x 1 μm叉形错相位光栅组成，其周期为120 nm，高度为500 nm，每侧相隔1 μm。实验中使用了拓扑电荷为 q = 0（标准光栅轮廓）、q = 3（此处所示）和 q = 7 的三个阵列。（B）每个相位光栅产生一个衍射光谱，该光谱由衍射阶（m）组成，这些衍射阶数带有明确定义的OAM值l = mħq。（C）远场中的强度是来自所有单个叉位错相位光栅的信号的总和。图中所示是收集的小角中子散射（SANS）数据的示例。来源： 科学进展 （2022）。DOI： 10.1126/sciadv.add2002
量子计算研究所（IQC）的研究人员在实验史上首次创造了一种产生具有明确轨道角动量的扭曲中子的装置。以前认为这是不可能的，这一突破性的科学成就为研究人员提供了一条全新的途径来研究下一代量子材料的开发，其应用范围从量子计算到识别和解决基础物理学中的新问题。
“中子是表征新兴量子材料的强大探针，因为它们有几个独特的特征，”滑铁卢大学IQC研究助理兼变革性量子技术技术负责人Dusan Sarenac博士说。“它们具有纳米大小的波长，电中性和相对较大的质量。这些特征意味着中子可以穿过X射线和光不能通过的材料。
虽然实验产生和分析光子和电子中轨道角动量的方法得到了很好的研究，但迄今为止从未证明过使用中子的器件设计。由于它们的独特特征，研究人员不得不建造新的装置并创造新的中子方法。
在他们的实验中，滑铁卢的IQC和物理与天文学系的Dmitry Pushin博士和他的团队构建了微观的叉状硅光栅结构。这些装置非常微小，在仅0.5厘米乘0.5厘米的区域内，有超过600万个单独的叉形错位相位光栅。
当一束单中子通过该装置时，单个中子开始以开瓶器模式缠绕。行进19米后，使用特殊的中子相机拍摄了中子的图像。该小组观察到，每个中子都膨胀到10厘米宽的甜甜圈状特征。
传播的中子的甜甜圈图案表明它们被置于特殊的螺旋状态，并且该小组的光栅装置产生了具有量子化轨道角动量的中子束，这是同类实验中的第一个实验成果。
“中子在基础物理学的实验验证中很受欢迎，使用三个容易获得的自由度：自旋，路径和能量，”普辛说。
“在这些实验中，我们小组能够在中子束中使用轨道角动量，这基本上将提供额外的量子化自由度。在此过程中，我们正在开发一个工具箱，用于表征和检查下一代量子设备（如量子模拟器和量子计算机）所需的复杂材料。
Sarenac，Pushin以及滑铁卢大学，国家标准与技术研究所和橡树岭国家实验室的合作者发表的论文“中子螺旋波的实验实现”最近发表在 《科学进展 》杂志上。
更多信息： 杜尚·萨雷纳克等，中子螺旋波的实验实现， 科学进展 （2022）。DOI： 10.1126/sciadv.add2002
期刊信息： 科学进展