Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Изучены поправки к скорости поглощения ультрахолодных нейтронов (УХН) стенками ловушки, связанные с зависимостью распределения нейтронов по импульсам от высоты. Данное исследование важно для анализа возможной дополнительной ошибки при геометрической экстраполяции (на ~20 секунд при заявленной ошибке < 0.5 секунд) времени хранения УХН в материальных ловушках, выполняемой при анализе экспериментальных данных по измерению скорости бета-распада нейтронов. Получены численные оценки для скорости потерь УХН при разных распределениях УХН по скоростям и разных параметрах ловушек. Также проведены расчеты методом Монте-Карло скорости потерь УХН в материальных ловушках в зависимости от закона диффузного рассеяния, которые показали достаточно сильную зависимость: разница скорости потерь нейтронов для изотропного и ламбертовского диффузного рассеяния нейтронов от материальных стенок ловушек может достигать 5%, что может привести к погрешности более 1 секунды для времени жизни нейтронов, определенного с учетом вычисляемых потерь УХН из-за поглощения стенками ловушки. Предложен доступный метод экспериментальной проверки и измерения отклонений от закона Ламберта для диффузного рассеяния ультрахолодных нейтронов от стенок материальных ловушек. Результаты в виде двух статей посланы в печать в Physical Review C и Письма в ЖЭТФ, где уже приняты к публикации. По результатам сделан устный доклад « On estimating the loss rate of ultracold neutrons in material traps » на 30-й международной конференции «Взаимодействие нейтронов с ядрами: фундаментальные взаимодействия и нейтроны, структура ядра, ультрахолодные нейтроны, смежные темы» (ISINN-30), http://isinn.jinr.ru/past-isinns/isinn-30/abstracts/Grigoriev.pdf Проведен численный расчет трехмерного распределения электрического поля вблизи конусообразного выступа на поверхности стенки ловушки УХН, выступающей электродом. Расчет выполнен численно методом конечных элементов. Результат расчета использован для анализа преимуществ и недостатков конусообразных шероховатостей поверхности боковых стенок ловушек УХН по сравнению с их треугольной гофрировкой для удержания достаточно толстой пленки жидкого гелия с целью защиты УХН от поглощения стенками ловушки. Вероятно, полученное усиление поля не компенсирует дополнительные сложности производства такой конусообразной шероховатости по сравнению с хорошо отработанным процессом производства дифракционных решеток, обеспечивающих треугольную гофрировку поверхности. Результаты работы опубликованы в виде статьи в журнале Web of Science Core Collection, http://dx.doi.org/10.1134%2FS1062873824707712 . Исследованы возможность, преимущества и недостатки ионов на поверхности жидкого гелия как физического носителя кубита. Жидкий гелий не содержит примесей и позволяет получать рекордно большие времена квантовой декогерентности кубитов. Отрицательные ионы большого размера кальция и бария адсорбируются на поверхности жидкого гелия. Эти ионы имеют очень малую энергию связи и поэтому, подобно электрону, образуют в объеме гелия пузырек большого радиуса, энергия которого внутри гелия оказывается выше, чем на поверхности. Волновая функция внешнего электрона в таких ионах локализована на малом масштабе ~2нм, что много меньше характерного размера волновой функции свободных электронов на поверхности жидкого гелия ~50 нм. Подобная локализация отрицательных ионов по сравнению со свободными электронами упрощает манипулирование ими и приводит к усилению межкубитного взаимодействия на несколько порядков величины, и соответственно, к большому ускорению двухкубитных операций. Это важно для квантовых вычислений, где время одно- и двухкубитных операций должно быть меньше времени декогерентности по крайней мере в 10000 раз, чтобы реализовать квантовый протокол коррекции ошибок и другие квантовые вычисления. Оценено их время декогерентности, связанное со взаимодействием с тепловыми возбуждениями вблизи поверхности жидкого гелия и другими факторами. На основе проведенного анализа даны рекомендации о том, какие есть преимущества и недостатки у каждого (зарядового и спинового состояния ионов) в качестве носителя кубита, и какой из них перспективнее. К сожалению, время декогерентности ионов, таких как Ca- или Ba-, оказалось выше, чем у электронов. Поэтому, электронный пузырек в гелии, который имеет радиус около 2нм и большую эффективную массу, поэтому также часто называется отрицательным ионом в гелии, на наш взгляд перспективнее для кубитов, чем ионы химических элементов. Кроме того, большинство ионов химических элементов, которые предполагалось использовать, такие как Ca- или Ba-, в качестве основного состояния внешнего электрона в гелии имеют p а не s состояние.Их магнитный момент связан не только с их спином, но и с орбитальным движением. Поэтому электронные переходы между квантовыми состояниями с разной проекцией момента на направление магнитного поля, если включают изменение орбитальных степеней свободы, сопряжены с релаксацией также пузырька гелия вокруг, что увеличивает ширину линии перехода и соответствующее время декогерентности. Кроме того, в ионах химических элементов орбитальное движение электронов сильнее зацепляется за спиновые степени свободы, чем у одиночного электрона в жидком гелии. Поэтому, электронный пузырек в гелии на наш взгляд перспективнее для кубитов, чем ионы химических элементов. Отрицательные ионы химических элементов в жидком гелии оказались интересны по другой причине. В жидком гелии можно создать и исследовать такие отрицательные ионы, которые не существуют в вакууме или в обычных условиях. Часто такие отрицательные ионы имеют триплетное основное состояние, которое мы исследовали для ионов химических элементов первого ряда в таблице Менделеева: водород, литий, натрий, калий, цезий. Получены теоретические оценки их энергии и других параметров в жидком гелии. Соответствующая статья А.М. Дюгаев, П.Д. Григорьев, В.Д. Кочев, «Триплетные отрицательные ионы водорода в жидком гелии» послана в ЖЭТФ.