Физики впервые сумели заставить пучки нейтронов двигаться по кривой
Ученые впервые в истории физики сумели сфокусировать нейтроны в луч Эйри. О достижении они рассказали в журнале Physical Review Letters.
Лучи Эйри, названные так в честь английского математика Джорджа Эйри, удивительны: они могут огибать препятствия и не рассеиваются, оставаясь четкими на всем протяжении.
«Мы уже давно знаем об этих странных, самоуправляемых волновых моделях, но до сих пор никто не создавал их с помощью нейтронов. Это открывает совершенно новый способ управления нейтронными пучками, что может помочь нам заглянуть внутрь материалов или исследовать некоторые важные вопросы физики», — поделился физик Майкл Хубер из Национального института стандартов и технологий США.
Ученые уже создавали лучи Эйри из фотонов или электронов, но обуздать нейтроны казалось невозможным: линзами их путь не искривить, заряда у них нет — то есть воздействие электрическим полем тоже бесполезно.
В Институте квантовых вычислений Университета Ватерлоо разработали специальную дифракционную решетку — кремниевую пластину размером с ластик карандаша, покрытую микроскопическими линиями. Эти линии, образующие более шести миллионов квадратов размером в один микрометр, расположенных на точно выверенных расстояниях, могут преобразовывать обычный нейтронный пучок в луч Эйри.
Идея нанесения сетки линий на кремний кажется простой, но расчет их расположения оказался крайне трудоемкой задачей.
«Нам потребовались годы работы, чтобы определить правильные параметры решетки. Сама гравировка заняла около 48 часов в нанотехнологическом центре Университета Ватерлоо, но подготовка к ней заняла годы напряженных исследований», — заявил профессор Дмитрий Пушин из Университета Ватерлоо.
По словам Хубера, нейтронные пучки Эйри могут улучшить качество изображений в нейтронных установках. Они позволят повысить разрешение сканирования или создавать несколько фокусных точек для детального изучения отдельных участков объектов, что усовершенствует такие методы, как нейтронное рассеяние и дифракция.
Заманчиво было бы найти способы комбинации нейтронного луча Эйри с другими типами нейтронных пучков, признался Хубер.
«Мы считаем, что сочетание пучков расширит область применения лучей Эйри, — подтвердил Душан Саренац из Университета Буффало. — Если кому-то понадобится адаптировать их для конкретных физических или материаловедческих задач, наши методы можно доработать».
Например, можно объединить нейтронный пучок Эйри со спиральной нейтронной волной, создание которой команда освоила десять лет назад. Наложение двух пучков позволит исследовать хиральность материала — свойство, часто описываемое как «зеркальная асимметрия», когда молекула может быть в форме противоположных друг другу изомеров с кардинально разными свойствами.
Улучшенные методы изучения хиральности помогут создавать соединения с заданными характеристиками. Мировой рынок хиральных лекарств превышает $200 млрд в год, а методы хирального катализа лежат в основе производства многих химических продуктов.
Хиральность также играет все большую роль в квантовых вычислениях и передовых электронных технологиях, таких как спинтроника.
«Хиральность материала может влиять на вращение электронов, а спин-поляризованные электроны можно использовать для хранения и обработки информации. Управление этим свойством также поможет манипулировать кубитами — основными элементами квантовых компьютеров. Нейтронные пучки Эйри позволят изучать такие материалы гораздо эффективнее», — заключил Хубер.
