近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）等机构研究团队首次在物理学领域实现中子束曲线传播。这种利用定制装置生成的艾里光束（以英国科学家George Airy命名），将显著提升中子对药物、香水、农药等材料的分析能力——因其具备绕障传播特性，该技术有望为材料研究开辟新途径。
"我们很早就知道这些能自主导向的奇特波形，但此前从未有人用中子实现过，"论文作者之一、美国国家标准与技术研究院（NIST）的Michael Huber表示，"这项技术开辟了调控中子束的全新途径，将助力材料内部结构观测和重大物理问题的探索。"
该研究成果于4月17日在线发表在《Physical Review Letters》期刊中（DOI：10.1103/PhysRevLett.134.153401）。研究团队由纽约州立大学布法罗分校Dusan Sarenac领导，加拿大滑铁卢大学量子计算研究所（IQC）的合作者研制出可生成艾里光束的特制装置。团队成员还包括来自马里兰大学、橡树岭国家实验室、瑞士保罗谢勒研究所以及德国于利希中子科学中心（隶属海因茨·迈尔-莱布尼茨中心）的科学家。
艾里光束不仅沿抛物线轨迹传播，其反直觉特性更令人称奇：不同于普通光束的扩散传播，它在行进过程中能保持能量集中，甚至具备"自愈"能力——当障碍物阻挡部分光束后，剩余部分在通过障碍物后可自动恢复原始波形。
尽管其他研究团队已成功利用光子或电子等粒子生成艾里光束，但要让中子形成艾里光束则困难得多。透镜无法使其偏转，而中子不带电的特性又使其对电场毫无反应。为此，研究团队必须另辟蹊径。
科学家们最终研制出一种特制衍射光栅阵列——这块仅铅笔橡皮头大小的硅片上，精密蚀刻着由600多万个微米级方格构成的网格结构。这些以精确间距排列的微型方格，能将普通中子束转化为具有特殊传播特性的艾里光束。
虽然在硅片上蚀刻线条的原理看似简单，但要设计出能生成艾里光束的精确图案却绝非易事。
"我们耗费数年时间才确定光栅阵列的正确尺寸，"论文合著者、滑铁卢大学量子计算研究所教授Dmitry Pushin表示，"在滑铁卢大学纳米加工中心实际刻制光栅仅需48小时，但此前博士后研究人员为此进行了长达数年的准备工作。"
Huber指出，中子艾里光束有望显著提升中子成像设施的分辨能力。该技术既可提高扫描分辨率，又能生成多焦点对物体特定部位进行精细观测，从而改进中子散射、中子衍射等常规成像技术。
Huber特别强调，最具突破性的应用前景在于将中子艾里光束与其他类型中子束相结合。
Sarenac对此解释道："我们相信复合中子束技术将大幅拓展艾里光束的应用边界。科研人员只需调整我们的技术参数，就能获得针对特定物理或材料研究定制的艾里光束。"
例如，科学家可以将中子艾里光束与螺旋波中子束相结合（该团队早在十年前就已掌握后者的制备技术）。通过叠加这两种波束，研究人员将能深入探究材料的手性特性——这种特性常被形象地称为"分子左右手"，即某些分子虽然互为镜像对称，却可能表现出完全不同的性质特征。
对手性特性的深入研究和表征，将推动特定功能手性分子的研发进程，有望为制药、材料科学和化工制造等领域带来革命性突破。以全球手性药物市场为例，其年产值已突破2000亿美元，而手性催化技术更是众多化工产品生产的核心技术支撑。
随着量子计算和自旋电子学等前沿领域的发展，手性研究正展现出日益重要的应用价值。
Huber解释道："材料的手性特性能够影响电子自旋方向，而自旋极化电子可用于信息存储与处理。通过调控手性，我们还能操纵构成量子计算机基本单元的量子比特。中子艾里光束将大幅提升我们探索这类功能材料的效率。"
