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影像学

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中子全息图成像物体的内部

01 Nov 2016
中子全息术产生的干涉图
斑马条纹:中子全息术产生的干涉图案。 (礼貌:NIST)

美国和加拿大的物理学家已经揭开了使用中子制造的大型物体的第一个全息图。与用激光产生的传统全息图不同,中子产生的全息图可以对物体的内部成像。研究人员说,这些3D图像可能在材料科学中很有用,甚至可以在未来的量子计算机中使用。

中子束可以很好地探测固体物体的内部结构,因为它们能够穿过大多数材料而不会被完全吸收。因此,中子可用于对太大或太稠密的物体内部进行成像,而这些物体很难用X射线研究,因为X射线更容易被物质吸收或散射。 德米特里·普京滑铁卢大学的物理学家,全息研究的负责人解释说:“铅等重金属对中子非常透明。”中子也已被用于使燃料电池中的氢等材料成像,而这些材料对于X射线基本上是不可见的。因为中子与物质的相互作用不同于X射线或其他电磁辐射,所以用中子构成的图像与使用光子构成的图像在物体上的视角不同。

尽管科学家使用中子来创建图像已有几十年了,包括原子尺度上的微小全息图,但普希金’s组是第一个创建由中子产生的宏观物体全息图的人。为了制作全息图,研究人员使用了位于美国马里兰州的美国国家标准与技术研究院的核反应堆产生的中子束。

螺旋板

与传统全息术中使用的两个激光束类似,这些中子首先被分为两束,分别称为物体束和参考束。然后,目标光束穿过一块1厘米厚的铝,称为螺旋相位板。这会将光束的轨道角动量(OAM)增加特定量。然后将目标光束与参考光束重新组合,以在检测器上形成3D干涉图样。该干涉图案是螺旋相板的全息图像,并且具有微米级的空间分辨率。

普京说,使用中子全息图对螺旋相板成像也提供了一种可视化OAM量子性质的新方法。该团队创建了几个不同螺旋相位板的全息图,每个全息图都增加了中子束’的OAM数量不同。全息图’干涉图样类似于斑马条纹和匹配的计算机模拟。这些模拟预测全息图’取决于物镜光束的OAM,干涉图案将唯一地分支和分叉(见图)。由于OAM可以用作存储和传输量子信息的方式,因此全息图可能在量子信息研究(例如量子计算机的开发)中很有用。

拓扑材料

Pushin预期中子全息术的其他应用包括研究新材料的内部结构。他说,该技术尤其可以帮助发现拓扑导体和绝缘体。

普京说,下一步是创造更多的工具,例如衍射光栅,可以更精确地操纵中子束的形状。该小组还计划开始使用中子全息术来表征新材料。

该研究描述于 光学快递.

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年