Neutronic Field-Effect Transistor
本文展示了一种中子场效应晶体管（NFET），该器件利用完美的晶体马赫-曾德尔干涉仪，通过自旋和路径自由度的相移来控制中子流，从而作为电子和基于自旋的晶体管的原子电子学类比。
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在现代电子学的世界中，控制信息流的能力是构建从智能手机到超级计算机等一切事物的基石。这种控制通常是通过管理电荷的移动来实现的，但一个被称为自旋电子学（spintronics）的平行研究领域则探索了另一种属性：粒子的内禀自旋。想象一下，每个电子都附带了一个微小的、内在的指南针；在自旋电子学中，科学家试图利用这个指南针的方向——指向向上或向下——来代表数据，而不是仅仅利用电流的存在或缺失。尽管研究人员长期以来一直寻求构建能够使用电场开启或关闭这些自旋方向的设备（就像标准的灯开关一样），但用于电子的材料往往难以应对那些会扰乱精细自旋信息的噪声和缺陷。这促使物理学家寻找更洁净、更隔离的环境，以便更精确地利用量子效应，转而研究那些完全不携带电荷的粒子。
现在，一组研究人员已成功演示了一个使用中子的自旋基开关版本。这项发表在近期研究中的工作介绍了一种被称为“中子场效应晶体管”的设备。与依赖电荷流动的电子亲戚不同，这种新设备使用中子束和一个专门的晶体装置来操纵它们内部自旋的方向。研究人员制造了一台充当完美晶体干涉仪的机器，这种结构将中子束分成两条独立的路径，然后将它们重新汇合。通过仔细调整其中一条路径上的条件，他们可以在不改变中子速度或能量的情况下改变其自旋。当两条路径重新合并时，中子会发生干涉，使研究人员能够控制最终的自旋方向，从而有效地实现了一个在不同自旋状态之间进行选择的开关。
实验是在一个致力于中子研究的设施中进行的，在那里，一束具有特定波长的中子被导向一个由高纯度单晶硅雕刻而成的装置。该晶体被塑造成三个薄片，其功能类似于标准光学干涉仪中的镜面和分束器，但处理的是物质波而非光波。进入晶体的中子是未极化的，这意味着它们的内部指南针指向随机方向。当中子束进入晶体时，它被分成两条独立的路径。在其中一条路径中，研究人员放置了一层极薄的名为坡莫合金（permalloy）的磁性材料。通过旋转这个薄膜，他们可以改变中子所经历的磁场强度，进而改变中立路径中中子的自旋取向。
为了完成控制机制，团队还通过在路径中插入一块石英板引入了相位偏移（phase shift），这是一种波状性质的微妙延迟。这种相位偏移充当了第二个控制旋钮，与磁性薄膜协同工作。当两条中子路径由第三个晶体片重新合并时，它们之间的干涉决定了束流的最终状态。研究人员发现，通过调节磁性旋转和相位延迟，他们可以连续调整输出束的极化状态。简单来说，他们可以让中子以大部分向上、大部分向下或介于两者之间的任何方向出现，而这一切都是从完全随机的输入开始的。
实验结果精确且可测量。团队实现了77%的最大极化率，这意味着在最佳配置下，输出束中近四分之三的中子其自旋都符合预期的方向。这一水平的控制仅受限于晶体干涉仪本身的固有质量，该设备的对比度为83%，表明其表现已达到了物理材料所允许的极限。研究证实，该设备的功能完全符合晶体管的定义：输入是稳定的中子流，“栅极”控制是磁性和相位调节，而输出则是其属性由这些控制所决定的束流。这次成功的演示证明，中子可以被用来创建类似于几十年前提出的基于电子的开关的自旋电子器件，但其优势在于能够在一个更加安静、噪声更小的环境中运行。
除了成功构建开关之外，该设备还提供了一种测量单个中子自旋的新方法。由于中子束非常稀疏，在干涉仪内任何时刻通常只有不到一个中子，研究人员可以观察单个粒子的行为。当控制设置倾向于某种自旋状态时，在输出路径中检测到一个中子就提供了对其自旋的直接、单次测量。这种能力为新的量子测量开辟了大门，并最终可能支持量子逻辑门的开发，而量子逻辑门是未来量子计算机的构建模块。这项工作并不声称要取代日常计算机中的电子晶体管，而是建立了一个全新的、洁净的平台，用于测试基本的量子概念，并探索如何像操纵光一样精确地操纵物质波。通过展示中性粒子束可以如此精确地被切换和控制，研究人员为调查宇宙的量子本质提供了一个强大的新工具。
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