Физики из МГУ и их коллеги из Германии создали необычный волновод, который может захватывать нейтроны, транспортировать их на большие расстояния и "сортировать" в соответствии с их спином, что поможет создать принципиально новые виды компьютеров, говорится в статье, опубликованной в журналеPhysical Review B.
"Мы испытали чистый детский восторг от того, что нам удалось отсортировать и запереть нейтроны с разным спином. Кроме того, мы планируем использовать данный эффект для вполне конкретных исследований в области оксидной и сверхпроводящей спинтроники",
— рассказал Юрий Хайдуков, научный сотрудник НИИ ядерной физики при МГУ.
Нейтроны, электрически нейтральные частицы, вместе с протонами составляют основу всех атомов во Вселенной. В отличие от протонов, нейтроны нестабильны в "одиночном" состоянии и они обычно распадаются примерно через 15 минут после рождения, превращаясь в протон и испуская электрон и антинейтрино.
Сегодня ученые активно используют нейтроны для изучения структуры сверхпроводников и многих других материалов, в которые достаточно сложно "заглянуть" иными путями, для поисков воды на Марсе и многих других целей. Во многих таких случаях физикам, биологам и прочим исследователям помогло бы увеличение плотности и "кучности" потока нейтронов, что сделало бы получаемую картинку более четкой и ускорило проведение экспериментов.
Для решения этой задачи физики уже более десяти лет разрабатывают так называемые нейтронные волноводы – особые конструкции, способные захватывать нейтроны и заставляющие их объединяться в пучки и двигаться в примерно одном направлении, подобно тому, как частицы света движутся по обычному оптоволокну. Как правило, они представляют собой набор из нескольких кусочков материалов, хорошо или плохо отражающих нейтроны, расположенных особым образом относительно друг друга.
Российские физики нашли способ улучшить их работу и превратить их в потенциально ключевой компонент спинового компьютера, обратив внимание на одно свойство нейтронов, которое сегодня активно используется при изучении свойств сверхпроводников и магнитных материалов.
Дело в том, что нейтроны, несмотря на отсутствие у них электрического заряда, могут реагировать на переменные магнитные поля благодаря тому, что они не являются истинно нейтральными "цельными" частицами, и содержат в себе три кварка с разными магнитными моментами и зарядами. Этой особенностью нейтронов физики пользуются для изучения структуры магнитных материалов, наблюдая за тем, как частицы меняют траекторию своего движения через пролете через подобные структуры.
Хайдуков и его коллеги предположили, что это же свойство нейтронов можно использовать и при конструкции волновода. Руководствуясь этой идеей, ученые собрали волновод из трех разных материалов – золота, соединения марганца, стронция и лантана, а также соединения стронция, рутения и кислорода, обладающие разными магнитными свойствами.
Затем они проверили, как с ним будет взаимодействовать поток нейтронов, вырабатываемый исследовательским реактором в Мюнхене. Как показал этот эксперимент, подобный "бутерброд" не только хорошо проводил нейтроны, но и "сортировал" их — частицы со спином, повернутым "вверх", попадали в рутениевый слой волновода, а частицы с "нижним" спином двигались через его лантановую часть. Это было связано с тем, что нейтроны с "верхним" спином сильнее взаимодействуют с магнитными полями, чем их антиподы.
Как надеются ученые, создание подобных волноводов поможет физикам-экспериментаторам получить новые данные по структуре сверхпроводников и других интересных материалов, а также позволят ученым создать новый тип компьютеров, в котором информация будет переноситься при помощи спина частиц, а не электрических зарядов.