Neutronic Field-Effect Transistor

In de wereld van de moderne elektronica is het vermogen om de informatiestroom te beheersen de basis van alles, van smartphones tot supercomputers. Deze controle wordt meestal bereikt door de beweging van elektrische lading te beheren, maar een parallel vakgebied genaamd spintronica onderzoekt een andere eigenschap: de intrinsieke spin van deeltjes. Stel je een piepklein, intern kompasnaaldje voor dat aan elk elektron is bevestigd; in de spintronica proberen wetenschappers de richting van dit naaldje — wijzend naar boven of beneden — te gebruiken om gegevens te representeren, in plaats van alleen de aanwezigheid of afwezigheid van elektriciteit. Hoewel onderzoekers al lang zoeken naar apparaten die deze spinrichtingen aan en uit kunnen schakelen met behulp van elektrische velden, vergelijkbaar met een standaard lichtschakelaar, hebben de materialen die voor elektronen worden gebruikt vaak moeite met ruis en imperfecties die de delicate spininformatie verstoren. Dit heeft ertoe geleid dat natuurkundigen op zoek gingen naar schonere, meer geïsoleerde omgevingen waar kwantumeffecten met grotere precisie kunnen worden benut, door over te stappen op deeltjes die helemaal geen elektrische lading dragen.

Een team van onderzoekers heeft nu een werkende versie van een op spin gebaseerde schakelaar gedemonstreerd met behulp van neutronen, de neutrale deeltjes die zich in de kern van atomen bevinden. Dit werk, gepubliceerd in een recente studie, introduceert een apparaat genaamd een neutronische veldeffecttransistor. In tegenstelling tot zijn elektronische neefjes die vertrouwen op de stroom van lading, gebruikt dit nieuwe apparaat een bundel neutronen en een gespecialiseerd kristalapparaat om de richting van hun intrinsieke spin te manipuleren. De onderzoekers bouwden een machine die fungeert als een perfect kristalinterferometer, een structuur die een bundel neutronen in twee aparte paden splitst en ze vervolgens weer samenbrengt. Door de omstandigheden langs een van deze paden zorgvuldig aan te passen, kunnen ze de spin van de neutronen veranderen zonder hun snelheid of energie te veranderen. Wanneer de twee paden samenkomen, interfereren de neutronen met elkaar op een manier die de onderzoekers in staat stelt de uiteindelijke spinrichting van de bundel te controleren, wat effectief een schakelaar bedient die tussen verschillende spin-toestanden selecteert.

Het experiment vond plaats in een faciliteit die gewijd is aan neutronenonderzoek, waar een bundel neutronen met een specifieke golflengte in een apparaat werd gericht dat is uitgesneden uit een enkel, hoogzuiver kristal van silicium. Dit kristal werd gevormd tot drie dunne bladen die functioneren als de spiegels en beam splitters in een standaard optische interferometer, maar dan voor materiegolven in plaats van licht. De binnenkomende neutronen waren ongepolariseerd, wat betekent dat hun interne kompasnaaldjes in willekeurige richtingen wezen. Terwijl de bundel het kristal binnenging, werd deze gesplitst in twee aparte paden. In een van deze paden plaatsten de onderzoekers een zeer dunne film van een magnetisch materiaal genaamd permalloy. Door deze film te draaien, konden zij de sterkte van het magnetisch veld waarmee de neutronen werden blootgesteld veranderen, wat op zijn beurt de oriëntatie van de neutronenspins tijdens hun reis door dat specifieke pad veranderde.

Om het controlemechanisme te voltooien, introduceerde het team ook een faseverschuiving, een subtiele vertraging in het golfkarakter van de neutronen, door een kwartsplaat in het pad te plaatsen. Deze faseverschuiving fungeerde als een tweede regelknop, die samenwerkte met de magnetische film. Wanneer de twee paden van de neutronen werden samengevoegd door het derde kristalblad, bepaalde de interferentie tussen hen de uiteindelijke toestand van de bundel. De onderzoekers ontdekten dat ze door de magnetische rotatie en de fasevertraging af te stemmen, de polarisatie van de uitgaande bundel continu konden aanpassen. In eenvoudige bewoordingen konden ze de neutronen er zo uit laten komen dat hun spins grotendeels omhoog wijzen, grotendeels omlaag, of ergens ertussenin, uitgaande van een volledig willekeurige input.

De resultaten van het experiment waren precies en meetbaar. Het team bereikte een maximale polarisatie van 77 procent, wat betekent dat in de beste configuratie bijna vier op de vijf neutronen in de uitgaande bundel hun spins in de gewenste richting hadden. Dit niveau van controle werd alleen beperkt door de inherente kwaliteit van de kristalinterferometer zelf, die een contrast had van 83 procent, wat aangeeft dat het apparaat zo goed presteerde als de fysieke materialen toelieten. De studie bevestigt dat het apparaat precies functioneert zoals een transistor hoort te functioneren: de input is een constante stroom neutronen, de "gate"-controles zijn de magnetische en fase-aanpassingen, en de output is een bundel waarvan de eigenschappen worden bepaald door die controles. Deze succesvolle demonstratie bewijst dat neutronen gebruikt kunnen worden om spintronische apparaten te creëren die analoog zijn aan de op elektronen gebaseerde schakelaars die decennia geleden werden voorgesteld, maar met het voordeel dat ze werken in een veel stillere, minder luidruchtige omgeving.

Naast het directe succes van het bouwen van de schakelaar, biedt het apparaat een nieuwe manier om de spin van individuele neutronen te meten. Omdat de bundel zo ijl is, met doorgaans minder dan één neutron binnen de interferometer op enig gegeven moment, kunnen de onderzoekers het gedrag van enkelvoudige deeltjes observeren. Wanneer de controles zijn ingesteld om een bepaalde spin-toestand te bevoordelen, levert de detectie van een neutron in het uitgaande pad een directe, single-shot meting van zijn spin op. Deze capaciteit opent de deur naar nieuwe soorten kwantummetingen en zou uiteindelijk de ontwikkeling van kwantumlogische poorten kunnen ondersteunen, die de bouwstenen zijn voor toekomstige kwantumcomputers. Het werk beweert niet de elektronische transistors in alledaagse computers te vervangen, maar vestigt eerder een nieuw, schoon platform voor het testen van fundamentele kwantumconcepten en het verkennen van hoe materiegolven met dezelfde precisie als licht kunnen worden gemanipuleerd. Door aan te tonen dat een bundel van neutrale deeltjes met dergelijke nauwkeurigheid kan worden geschakeld en gecontroleerd, hebben de onderzoekers een krachtig nieuw instrument geleverd voor het onderzoek naar de kwantumnatuur van het universum.