New quantum tool developed in groundbreaking experimental achievement

Monday, November 21, 2022

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For the first time in experimental history, researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC) have created a device that generates twisted neutrons with well-defined orbital angular momentum. Previously considered an impossibility, this groundbreaking scientific accomplishment provides a brand new avenue for researchers to study the development of next-generation quantum materials with applications ranging from quantum computing to identifying and solving new problems in fundamental physics. 

“Neutrons are a powerful probe for the characterization of emerging quantum materials because they have several unique features,” said Dr. Dusan Sarenac, research associate with IQC and technical lead, Transformative Quantum Technologies at the University of Waterloo. “They have nanometer-sized wavelengths, electrical neutrality, and a relatively large mass. These features mean neutrons can pass through materials that X-rays and light cannot.” 

This new research, from Dr. Dmitry Pushin’s research group at IQC, created devices with microscopic fork-like silicon grating structures. When a beam of single neutrons passed through this device, the individual neutrons began winding in a corkscrew pattern, indicating that quantized orbital angular momentum had been generated in these neutron beams. Devices were created at the Quantum Nano Fabrication and Characterization Facility at the University of Waterloo. 

To learn more about their research, see the original story “New quantum tool developed in groundbreaking experimental achievement” on Waterloo News. 

This project is supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through the Transformative Quantum Technologies (TQT) program.

 

A scanning electron microscope image of a fork-like silicon grating structure used to impart angular momentum in neutron beams.

A scanning electron microscope image of a fork-like silicon grating structure used to impart angular momentum in neutron beams.

Un nouvel outil quantique mis au point grâce à une réussite expérimentale révolutionnaire

Des scientifiques recréent des propriétés de la lumière dans des neutrons, particules fondamentales neutres.

Pour la première fois dans l’histoire de l’expérimentation, des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) ont créé un dispositif qui produit des neutrons torsadés ayant un moment angulaire orbital bien défini. Autrefois considéré comme impossible, cet exploit scientifique révolutionnaire ouvre aux chercheurs une toute nouvelle avenue pour le développement de matériaux quantiques de la prochaine génération, avec des applications allant du calcul quantique à la définition et à la résolution de nouveaux problèmes de physique fondamentale.

« À cause de plusieurs propriétés qui les distinguent, les neutrons constituent un puissant outil de caractérisation de nouveaux matériaux quantiques », a déclaré Dusan Sarenac, Ph.D., associé de recherche à l’IQC et responsable technique chez Technologies quantiques transformatrices (TQT), à l’Université de Waterloo. « Ils ont des longueurs d’onde nanométriques, sont électriquement neutres et ont une masse relativement importante. Grâce à ces propriétés, les neutrons peuvent passer à travers des matériaux que les rayons X et la lumière ne peuvent pas traverser. »

Alors que les méthodes de production expérimentale et d’analyse d’un moment angulaire orbital sont bien connues dans le cas des photons et des électrons, on n’avait pas encore fait la démonstration d’un dispositif utilisant des neutrons. Étant donné les caractéristiques distinctives des neutrons, les chercheurs ont dû fabriquer de nouveaux dispositifs et élaborer de nouvelles méthodes de travail avec les neutrons.

Dans leurs expériences, Dmitry Pushin, Ph.D., professeur à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, et son équipe ont fabriqué en silicium des réseaux de diffraction microscopiques ressemblant à des fourchettes. Ces dispositifs sont si minuscules qu’une région de seulement 0,5 cm par o,5 cm contient plus de 6 millions de ces réseaux de dislocation de phase. Lorsqu’un faisceau de neutrons traverse un tel dispositif, les neutrons individuels adoptent une trajectoire en tire-bouchon. À l’aide d’une caméra neutronique spéciale, les chercheurs ont capté une image des neutrons au bout d’une trajectoire de 19 mètres. Ils ont observé que chaque neutron donnait une signature semblable à un beigne de 10 cm de diamètre.

Cette signature en forme de beigne montre que chacun des neutrons a été placé dans un état hélicoïdal particulier et que les dispositifs de diffraction de l’équipe ont produit des faisceaux de neutrons ayant un moment angulaire orbital quantifié, ce qui n’avait jamais été réalisé auparavant.

« Les neutrons sont souvent utilisés pour des vérifications expérimentales en physique fondamentale, grâce à leurs 3 degrés de liberté facilement accessibles : le spin, la trajectoire et l’énergie, dit M. Pushin. Ces expériences de notre équipe ont permis d’utiliser le moment angulaire orbital dans des faisceaux neutroniques, ce qui fournit essentiellement un degré de liberté supplémentaire quantifié. Cela nous permet de mettre au point des outils de caractérisation et d’étude de matériaux complexes qui seront nécessaires pour la prochaine génération d’appareils tels que des simulateurs quantiques et des ordinateurs quantiques. »

L'article intitulé Experimental Realization of Neutron Helical Waves (Réalisation expérimentale d’ondes hélicoïdales neutroniques), de MM. Sarenac et Pushin, avec leurs collaborateurs de l’Université de Waterloo, de l’Institut national des normes et de la technologie des États-Unis, et du Laboratoire national d’Oak Ridge, a été récemment publié dans la revue Science Advances. Ces recherches ont été financées par TQT, initiative du Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada. Les dispositifs expérimentaux ont été créés dans l’Installation de fabrication et caractérisation nanométriques quantiques (QNFCF), à l’Université de Waterloo.

Image prise au microscope électronique à balayage d'un réseau de diffraction en silicium ressemblant à une fourchette, utilisé pour induire un moment angulaire orbital dans un faisceau de neutrons.

Image prise au microscope électronique à balayage d'un réseau de diffraction en silicium ressemblant à une fourchette, utilisé pour induire un moment angulaire orbital dans un faisceau de neutrons.