DOI: https://doi.org/10.1364/oe.596500
تاريخ النشر: 2026-08-31
المؤلف: Owen Lailey وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزخم الزاوي المداري في البصريات
نظرة عامة
يمثل التحقيق التجريبي في حالات الزخم الزاوي المداري للنيوترونات (OAM) وأشعة النيوترون آيري تقدمًا كبيرًا في علم النيوترونات المنظم، مما يؤثر على كل من توصيف المواد والفيزياء الأساسية. يقدم هذا التطور درجات جديدة من الحرية في تجارب تشتت النيوترونات، مما يسمح للباحثين بالتحقيق في قواعد الاختيار للنيوترونات، وتحليل خصائص التشتت في المواد الطوبولوجية، وإنشاء أشعة نيوترون ذات تركيز ذاتي.
لتحسين استرجاع المعلومات المكانية وزخم الزاوية من قياسات فردية ومعالجة القيود في كفاءة الشبكات الطورية، تقدم هذه الدراسة أشعة نيوترون منظمة متعددة الأوضاع. توفر هذه الأشعة وصولًا متزامنًا إلى أوضاع OAM متعددة ومحددة جيدًا، بالإضافة إلى تركيبات هجينة من حالات OAM وآيري. تتيح هذه الطريقة متعددة الأوضاع، المشابهة لتعدد الإرسال في البصريات، استكشافًا أكثر كفاءة لخصائص تشتت المواد والتفاعلات النووية باستخدام مصدر نيوترون يتميز بطيف OAM متقطع.
مقدمة
تناقش المقدمة التقدم في الضوء المنظم وموجات المادة، مع تسليط الضوء على تطبيقاتها في مجالات مختلفة مثل التصوير، والاتصالات، ومعالجة المعلومات الكمومية. تؤكد على تطوير تقنيات تعدد الإرسال البصرية التي تستخدم أوضاع الزخم الزاوي المداري (OAM) المتعددة المتزامنة لتعزيز نقل البيانات وقدرات التصوير. في سياق موجات المادة، وخاصة النيوترونات، يتم ملاحظة نهج تعدد الإرسال المماثل، حيث يمكن فصل توزيعات الطول الموجي الواسعة من خلال الكشف عن زمن الطيران، مما يسمح بتحليل مكونات طيفية منفصلة.
لقد أظهرت الإنجازات التجريبية الأخيرة توليد حالات OAM للنيوترونات باستخدام مصفوفات شبكات طورية مصنوعة من السيليكون، مما ينتج نيوترونات بأرقام OAM $\ell = mq$ في ترتيب الانكسار m. تفتح هذه الموجات النيوترونية المنظمة آفاقًا لتجارب متنوعة، بما في ذلك الدراسات على الهيليوم الم polarized $^3$ والتشتت في المواد الطوبولوجية. ومع ذلك، لا تزال التحديات مثل الحاجة إلى محاذاة دقيقة وكفاءة انكسار منخفضة للشبكات الطورية قائمة. تهدف الأعمال الحالية إلى معالجة هذه التحديات من خلال توليد وتوصيف أشعة نيوترون منظمة متعددة الأوضاع تجمع بين أوضاع OAM $\ell = 3$ و$\ell = 7$، بالإضافة إلى حالات آيري وحلزونية هجينة. من خلال قياسات تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS)، تقوم الدراسة برسم خرائط توزيع الكثافة لهذه الأشعة المتعددة، محققة نتائج تتماشى جيدًا مع المحاكاة. تمهد هذه الأبحاث الطريق لتقنيات طيفية OAM للنيوترونات وتقنيات تعدد الإرسال ثنائية الأبعاد للنيوترونات، مما يعزز كل من دقة الزخم الزاوي والطاقة في القياسات.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام ثلاث رقائق سيليكون متميزة، كل منها يحتوي على مصفوفة من الشبكات الطورية المنقوشة على جانب واحد. كانت اثنتان من هذه الشبكات شبكات طورية ذات تشوهات متفرعة مع شحنات طوبولوجية قدرها $q = 3$ و$q = 7$، بينما كانت الثالثة شبكة طورية مكعبة. يتم تعريف الملفات الرياضية لشبكات التشوهات المتفرعة بواسطة المعادلات:
\[
\frac{1}{2} \text{sgn} \left( \sin \left( 2\pi p x + q \tan^{-1} \left( \frac{y}{x} \right) \right) \right) + \frac{1}{2}
\]
بالنسبة لشبكات التشوهات المتفرعة، و
\[
\frac{1}{2} \text{sgn} \left( \sin \left( 2\pi p x + c_x x^3 – c_y y^3 \right) \right) + \frac{1}{2}
\]
بالنسبة للشبكة الطورية المكعبة، حيث $p$ هو فترة الشبكة، و$c_x$، $c_y$ هي معاملات مكعبة. كانت كل رقاقة تغطي مساحة قدرها $0.5 \, \text{cm} \times 0.5 \, \text{cm}$، تحتوي على حوالي 6,250,000 شبكة طورية فردية بمقاس $1 \, \mu\text{m} \times 1 \, \mu\text{m}$، بفترة قدرها 120 نانومتر وفاصل قدره 1 ميكرومتر بين الشبكات المجاورة.
تم إجراء التجارب في خط شعاع GP-SANS في مفاعل النظائر عالي التدفق، باستخدام إعداد يتضمن مصدر نيوترون وكاشف موضوعة على مسافات محددة لتحسين جمع البيانات. تم استخدام توزيع طول موجي نيوتروني مثلث الشكل، مع طول موجي مركزي قدره 12 Å وعرض نسبي يبلغ حوالي 0.13. لتقليل التداخل البيئي، تم بناء غلاف من الألمنيوم حول الشبكات. تم أخذ قياسات خلفية باستخدام رقائق سيليكون عادية لتعويض خسائر الكثافة وضوضاء التشتت، وتم معالجة بيانات تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة النهائية (SANS) باستخدام فلتر منخفض التمرير لتقليل الضوضاء بين البيكسلات.
نتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج تجاربهم على توليد أشعة نيوترون منظمة متعددة الأوضاع باستخدام مصفوفات شبكات طورية مفصولة مكانيًا. لقد نجحوا في توليد حالة إدخال تتكون من شعاعين متميزين من الزخم الزاوي المداري للنيوترونات (OAM)، باستخدام شبكة $q = 3$ موضوعة عند $z = 0$ وشبكة $q = 7$ موضوعة في الأسفل على مسافة $d_1 = 3.5 \, \text{mm} \pm 0.1 \, \text{mm}$. تكشف ملفات الكثافة في المجال البعيد المقاسة عند $z = 15.4 \, \text{m}$ عن مزيج من ملف $q = 3$ المضغوط وملف $q = 7$ الأوسع، كما هو موضح في الشكل 2a. تم محاكاة النتائج التجريبية باستخدام نموذج تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) المنظم استنادًا إلى تكامل الانكسار لفريسنل-كيرشوف.
يتم تقديم الملف المتكامل الزاوي لطلب الانكسار $m = +1$ من كلا الشبكتين في الشكل 2b، مما يبرز زيادة الكثافة عند المسافات الشعاعية الأكبر بسبب المساهمة من شبكة $q = 7$. تم إجراء قياس مرجعي لملف $q = 3$، $m = +1$ لتمييز تأثيرات شبكة $q = 7$. شملت التجارب مصيدة شعاعية موضوعة في مركز الكاشف لتعزيز رؤية عدد النيوترونات من أوامر الانكسار غير الصفرية. بشكل عام، تظهر النتائج توليدًا فعالًا وتوصيفًا لأشعة نيوترون متعددة الأوضاع من خلال استخدام مصفوفات الشبكات الطورية.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون التحقيق التجريبي الناجح لأشعة نيوترون منظمة متعددة الأوضاع، والتي تشمل أوضاع حلزونية متعامدة وأشعة هجينة من آيري-OAM. من خلال استخدام شبكات طورية مفصولة مكانيًا متعددة، حول الباحثون قيود الشبكات ذات الكفاءة المنخفضة إلى خصائص شعاعية مفيدة، مما يسمح بطيف مصمم من الحالات المنظمة. تعزز هذه الطريقة المبتكرة المرونة وقابلية التوسع لتنفيذ واجهات موجات النيوترون في تجارب التشتت، مما يوسع قدرات تقنيات النيوترونات المنظمة لاستكشاف المواد والتفاعلات الأساسية.
تشير النتائج إلى العديد من التطبيقات الواعدة، بما في ذلك طيف النيوترونات OAM، الذي يمكن أن يوفر رؤى حول سلوك التشتت لأوضاع OAM المحددة. بالإضافة إلى ذلك، قد تكشف أشعة آيري عن خصائص تشتت فريدة مقارنة بالأشعة التقليدية. يقترح المؤلفون أن تقنيتهم تسهل تعدد الإرسال ثنائي الأبعاد لموجات النيوترون، مما يمكّن جمع بيانات التشتت معزولة الطاقة والزخم الزاوي في وقت واحد. علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي تكديس الشبكات المتطابقة إلى تعزيز كثافة أوامر الانكسار، مما يوفر بديلاً للشبكات الطورية ذات النسبة العالية. تتيح هذه المنهجية أيضًا مقارنات مباشرة لاستجابات التشتت بين النيوترونات التقليدية والنيوترونات الحاملة لـ OAM، مما قد يفيد بشكل كبير دراسات تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) ذات الزمن المحدد للعمليات الديناميكية. بشكل عام، تقدم الأبحاث حلاً عمليًا لاستكشاف العينات مع حالات نيوترون منظمة متعددة تحت ظروف تجريبية متسقة، مما يمهد الطريق لتحقيقات متقدمة في مجالات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1364/oe.596500
Publication Date: 2026-08-31
Author(s): Owen Lailey et al.
Primary Topic: Orbital Angular Momentum in Optics
Overview
The experimental realization of neutron orbital angular momentum (OAM) states and neutron Airy beams represents a significant advancement in structured neutron science, impacting both materials characterization and fundamental physics. This development introduces new degrees of freedom in neutron scattering experiments, allowing researchers to investigate selection rules for neutrons, analyze scattering properties in topological materials, and create auto-focusing neutron beams.
To enhance the retrieval of spatial and angular-momentum information from single measurements and address limitations in phase-grating efficiency, this study presents multimode structured neutron beams. These beams provide simultaneous access to multiple, well-defined OAM modes, as well as hybrid combinations of OAM and Airy states. This multimode approach, akin to wavelength or OAM multiplexing in optics, enables more efficient exploration of material scattering properties and nuclear interactions using a neutron source characterized by a discretized OAM spectrum.
Introduction
The introduction discusses the advancements in structured light and matter waves, highlighting their applications in various fields such as imaging, communication, and quantum information processing. It emphasizes the development of optical multiplexing techniques that utilize multiple co-propagating orbital angular momentum (OAM) modes to enhance data transmission and imaging capabilities. In the context of matter waves, particularly neutrons, a similar multiplexing approach is noted, where broad wavelength distributions can be demultiplexed through time-of-flight detection, allowing for the analysis of separate spectral components.
Recent experimental achievements have demonstrated the generation of neutron OAM states using nanofabricated silicon phase-grating arrays, producing neutrons with OAM numbers $\ell = mq$ in the mth diffraction order. These structured neutron waves open avenues for various experiments, including studies on polarized $^3$He and scattering in topological materials. However, challenges such as the need for precise alignment and low diffraction efficiency of phase gratings remain. The current work aims to address these challenges by generating and characterizing multimode structured neutron beams that combine OAM modes $\ell = 3$ and $\ell = 7$, as well as hybrid Airy and helical states. Through small angle neutron scattering (SANS) measurements, the study maps the intensity distributions of these multiplexed beams, achieving results that align well with simulations. This research lays the groundwork for neutron OAM spectroscopy and two-dimensional neutron multiplexing techniques, enhancing both angular-momentum and energy resolution in measurements.
Methods
In this study, three distinct silicon wafers were utilized, each featuring an array of phase gratings etched on one side. Two of these gratings were fork-dislocation phase gratings with topological charges of $q = 3$ and $q = 7$, while the third was a cubic phase grating. The mathematical profiles of the fork-dislocation phase gratings are defined by the equations:
\[
\frac{1}{2} \text{sgn} \left( \sin \left( 2\pi p x + q \tan^{-1} \left( \frac{y}{x} \right) \right) \right) + \frac{1}{2}
\]
for the fork-dislocation gratings, and
\[
\frac{1}{2} \text{sgn} \left( \sin \left( 2\pi p x + c_x x^3 – c_y y^3 \right) \right) + \frac{1}{2}
\]
for the cubic phase grating, where $p$ is the grating period, and $c_x$, $c_y$ are cubic coefficients. Each wafer covered an area of $0.5 \, \text{cm} \times 0.5 \, \text{cm}$, containing approximately 6,250,000 individual $1 \, \mu\text{m} \times 1 \, \mu\text{m}$ phase gratings, with a period of 120 nm and a separation of 1 µm between adjacent gratings.
The experiments were conducted at the GP-SANS beamline at the High Flux Isotope Reactor, employing a setup that included a neutron source and a detector positioned at specific distances to optimize data collection. A triangular neutron wavelength distribution was utilized, with a central wavelength of 12 Å and a relative bandwidth of approximately 0.13. To mitigate environmental interference, an aluminum enclosure was constructed around the gratings. Background measurements were taken using plain silicon wafers to account for intensity losses and scattering noise, and the final Small Angle Neutron Scattering (SANS) data were processed with a low-pass filter to minimize pixel-to-pixel noise.
Results
In this section, the authors present the results of their experiments on multimode structured neutron beam generation using spatially separated phase-grating arrays. They successfully generated an input state comprising two distinct neutron orbital angular momentum (OAM) beams, utilizing a $q = 3$ grating positioned at $z = 0$ and a $q = 7$ grating placed downstream at a distance of $d_1 = 3.5 \, \text{mm} \pm 0.1 \, \text{mm}$. The far-field intensity profiles measured at $z = 15.4 \, \text{m}$ reveal a combination of the compact $q = 3$ profile and the broader $q = 7$ profile, as illustrated in Figure 2a. The experimental results were simulated using a structured neutron small-angle neutron scattering (SANS) model based on the Fresnel-Kirchoff diffraction integral.
The azimuthally integrated profile of the $m = +1$ diffraction order from both gratings is presented in Figure 2b, highlighting the increased intensity at larger radial distances due to the contribution from the $q = 7$ grating. A reference measurement of the $q = 3$, $m = +1$ profile was conducted to distinguish the effects of the $q = 7$ grating. The experiments included a beam trap positioned at the center of the detector to enhance the visibility of neutron counts from nonzero diffraction orders. Overall, the findings demonstrate the effective generation and characterization of multimode neutron beams through the use of phase-grating arrays.
Discussion
In this section, the authors discuss the successful experimental realization of multimode structured neutron beams, which include orthogonal helical modes and hybrid Airy-OAM beams. By employing multiple spatially separated phase-gratings, the researchers transformed the limitations of low-efficiency gratings into advantageous beam properties, allowing for a tailored spectrum of structured states. This innovative approach enhances the flexibility and scalability of neutron wavefront implementations in scattering experiments, expanding the capabilities of structured neutron techniques for probing materials and fundamental interactions.
The findings suggest several promising applications, including neutron OAM spectroscopy, which could provide insights into the scattering behavior of specific OAM modes. Additionally, the use of Airy beams may reveal unique scattering characteristics compared to conventional beams. The authors propose that their technique facilitates 2D neutron wave multiplexing, enabling simultaneous energy and angular momentum resolved scattering data collection. Furthermore, stacking identical gratings can enhance the intensity of diffracted orders, offering an alternative to higher-aspect-ratio phase-gratings. This methodology also allows for direct comparisons of scattering responses between conventional and OAM-carrying neutrons, which could significantly benefit time-resolved small-angle neutron scattering (SANS) studies of dynamic processes. Overall, the research presents a practical solution for probing samples with multiple structured neutron states under consistent experimental conditions, paving the way for advanced investigations in various fields.