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装置，可以产生具有明确轨道角动量的扭曲中子。以前被认为是不可能的，这项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发展，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，因为它们具有几个独特的特性，”IQC研究员兼滑铁卢大学变革性量子技术技术负责人DusanSarenac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。这些特性意味着中子可以穿过X射线和光不能穿过的材料。”

虽然对光子和电子轨道角动量的实验产生和分析方法进行了充分研究，但直到现在才证明使用中子的设备设计。由于它们的独特特性，研究人员不得不构建新设备并创造新的方法来处理中子。

在他们的实验中，IQC和滑铁卢大学物理与天文学系教员DmitryPushin博士及其团队构建了微型叉状硅光栅结构。这些设备非常小，在仅0.5厘米乘0.5厘米的区域中，有超过600万个叉位错相位光栅。当一束单个中子通过该装置时，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。

传播中子的环形图案表明它们处于特殊的螺旋状态，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项成果。

“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，”Pushin说。“在这些实验中，我们小组已经能够在中子束中使用轨道角动量，这实质上将提供额外的量化自由度。为此，我们正在开发一个工具箱来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和来自滑铁卢大学、美国国家标准与技术研究所和橡树岭国家实验室的合作者最近在《科学进展》杂志上发表了论文Experimentalrealizationofneutronhelicalwaves。该研究由加拿大第一研究卓越基金计划TQT资助。实验设备是在滑铁卢大学的量子纳米制造和表征设施中创建的。

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