科技日报记者 刘霞

来自加拿大和美国的科学家在最新一期《科学进展》杂志上发表论文称，他们首次在实验室研制出能产生拥有量子化轨道角动量的中子的装置，为下一代量子材料的研发提供了全新途径，有望推进量子计算的发展，识别并解决基础物理学领域的新问题。

最新研究负责人、滑铁卢大学量子计算研究所（IQC）的科学家杜桑·萨雷纳博士说：“中子是表征新兴量子材料的有力探针，因为它们拥有几个独有的特征：它们的波长为纳米级、呈电中性且质量相对较大。这些特征意味着中子可以穿过X射线和光无法穿过的材料。”

虽然科学家们此前已经对如何在实验室产生光子和电子的轨道角动量进行了深入研究，但为中子而设计的装置从未被研制出来。鉴于中子的独特属性，研究人员必须建造新装置，并开发新方法以适用于中子。

在最新实验中，来自IQC、美国国家标准与技术研究所及橡树岭国家实验室的科学家们构建了微型叉形硅光栅结构，这些器件非常小，在0.5厘米乘0.5厘米的区域内，可容纳超过600万个单独的叉形相位光栅。

研究人员解释称，当一束中子通过这个装置时，单个中子会以螺旋状缠绕，在行进19米后，一台特殊的中子相机捕获中子的图像。他们观察到，每个中子都延展到10厘米宽的甜甜圈形状。这些中子的环形图案显示，它们处于一个特殊的螺旋状态。这表明该小组的光栅装置制造出了拥有量子化轨道角动量的中子束，这是科学家们首次实现这一点。

研究人员指出，中子在基础物理学实验中很受欢迎，科学家们能很容易地使用其3个自由度：自旋、路径和能量。

萨雷纳表示，在最新实验中，他们让使用中子束的轨道角动量成为可能，这将提供额外的量子化自由度。为此，他们正在开发一个工具箱，以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。