Neutroniske molekyler:Undersøgelse viser, at neutroner kan binde sig til kvanteprikker

Neutroner er subatomære partikler, der ikke har nogen elektrisk ladning, i modsætning til protoner og elektroner. Det betyder, at mens den elektromagnetiske kraft er ansvarlig for de fleste af interaktionerne mellem stråling og materialer, er neutroner i det væsentlige immune over for denne kraft.

I stedet holdes neutroner sammen inde i et atoms kerne udelukkende af noget, der kaldes den stærke kraft, en af ​​de fire grundlæggende naturkræfter. Som navnet antyder, er kraften faktisk meget stærk, men kun på meget tæt hold - den falder så hurtigt, at den er ubetydelig ud over 1/10.000 af størrelsen af ​​et atom.

Men nu har forskere ved MIT fundet ud af, at neutroner faktisk kan fås til at klamre sig til partikler kaldet kvanteprikker, som består af titusindvis af atomkerner, som holdes der bare af den stærke kraft.

Den nye opdagelse kan føre til nyttige nye værktøjer til at undersøge materialers grundlæggende egenskaber på kvanteniveau, inklusive dem, der opstår fra den stærke kraft, samt udforskning af nye former for kvanteinformationsbehandlingsenheder.

Værket blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet ACS Nano i et papir af MIT-kandidatstuderende Hao Tang og Guoqing Wang og MIT-professorerne Ju Li og Paola Cappellaro fra Institut for Nuklear Science and Engineering.

Neutroner er meget brugt til at undersøge materialeegenskaber ved hjælp af en metode kaldet neutronspredning, hvor en stråle af neutroner fokuseres på en prøve, og de neutroner, der preller af materialets atomer, kan detekteres for at afsløre materialets indre struktur og dynamik.

Men indtil dette nye arbejde var der ingen, der troede, at disse neutroner faktisk kunne holde sig til de materialer, de undersøgte. "Den kendsgerning, at [neutronerne] kan fanges af materialerne, lader ingen til at vide om det," siger Li, som også er professor i materialevidenskab og teknik. "Vi var overraskede over, at dette eksisterer, og at ingen havde talt om det før, blandt de eksperter, vi havde tjekket med," siger han.

Grunden til, at dette nye fund er så overraskende, forklarer Li, er, at neutroner ikke interagerer med elektromagnetiske kræfter. Af de fire grundlæggende kræfter er tyngdekraften og den svage kraft "generelt ikke vigtige for materialer," siger han. "Stort set alt er elektromagnetisk vekselvirkning, men i dette tilfælde, da neutronen ikke har en ladning, er vekselvirkningen her gennem den stærke vekselvirkning, og vi ved, at det er meget kort rækkevidde. Det er effektivt i et interval på 10 til minus 15 power," eller en kvadrilliontedel af en meter.

"Den er meget lille, men den er meget intens," siger han om denne kraft, der holder atomkernerne sammen. "Men det interessante er, at vi har disse mange tusinde kerner i dette neutroniske kvantepunkt, og det er i stand til at stabilisere disse bundne tilstande, som har meget mere diffuse bølgefunktioner ved titusinder af nanometer. Disse neutronbundne tilstande i en kvanteprik er faktisk ganske beslægtet med Thomsons blommebudding-model af et atom, efter hans opdagelse af elektronen."

Det var så uventet, Li kalder det "en ret skør løsning på et kvantemekanisk problem." Holdet kalder den nyopdagede tilstand for et kunstigt "neutronisk molekyle."

Disse neutroniske molekyler er lavet af kvanteprikker, som er bittesmå krystallinske partikler, samlinger af atomer så små, at deres egenskaber er mere styret af den nøjagtige størrelse og form af partiklerne end af deres sammensætning. Opdagelsen og den kontrollerede produktion af kvanteprikker var emnet for Nobelprisen i kemi i 2023, der blev tildelt MIT-professor Moungi Bawendi og to andre.

"I konventionelle kvanteprikker er en elektron fanget af det elektromagnetiske potentiale skabt af et makroskopisk antal atomer, så dens bølgefunktion strækker sig til omkring 10 nanometer, meget større end en typisk atomradius," siger Cappellaro. "Tilsvarende kan en enkelt neutron i disse nukleoniske kvanteprikker fanges af en nanokrystal, med en størrelse langt ud over kernekraftens rækkevidde og vise lignende kvantiserede energier." Mens disse energispring giver kvanteprikker deres farver, kunne de neutroniske kvanteprikker bruges til at lagre kvanteinformation.

Dette arbejde er baseret på teoretiske beregninger og beregningssimuleringer. "Vi gjorde det analytisk på to forskellige måder, og til sidst bekræftede vi det også numerisk," siger Li. Selvom effekten aldrig var blevet beskrevet før, siger han, er der i princippet ingen grund til, at den ikke kunne være fundet meget før:"Konceptuelt burde folk allerede have tænkt over det," siger han, men så vidt holdet har været i stand til at bestemme, det gjorde ingen.

En del af vanskeligheden ved at udføre beregningerne er de meget forskellige involverede skalaer:Bindingsenergien af ​​en neutron til de kvanteprikker, de var knyttet til, er omkring en trilliontedel af tidligere kendte forhold, hvor neutronen er bundet til en lille gruppe kerner . Til dette arbejde brugte holdet et analytisk værktøj kaldet Greens funktion til at demonstrere, at den stærke kraft var tilstrækkelig til at fange neutroner med en kvanteprik med en minimumsradius på 13 nanometer.

Derefter lavede forskerne detaljerede simuleringer af specifikke tilfælde, såsom brugen af ​​en lithiumhydrid nanokrystal, et materiale, der blev undersøgt som et muligt lagringsmedium for brint. De viste, at neutronernes bindingsenergi til nanokrystallen er afhængig af krystallens nøjagtige dimensioner og form, såvel som kernernes kernespinpolarisationer sammenlignet med neutronens. De beregnede også lignende effekter for tynde film og tråde af materialet i modsætning til partikler.

Men Li siger, at faktisk at skabe sådanne neutroniske molekyler i laboratoriet, som blandt andet kræver specialiseret udstyr til at holde temperaturer i området nogle få tusindedele af en Kelvin over det absolutte nulpunkt, er noget, som andre forskere med den rette ekspertise bliver nødt til at påtage sig. .

Li bemærker, at "kunstige atomer", der består af samlinger af atomer, der deler egenskaber og kan opføre sig på mange måder som et enkelt atom, er blevet brugt til at undersøge mange egenskaber af rigtige atomer. På samme måde, siger han, giver disse kunstige molekyler "et interessant modelsystem", der kan bruges til at studere "interessante kvantemekaniske problemer, som man kan tænke på," såsom om disse neutroniske molekyler vil have en skalstruktur, der efterligner elektronskalstrukturen af atomer.

"En mulig anvendelse," siger han, "er måske, at vi præcist kan styre neutrontilstanden. Ved at ændre den måde, hvorpå kvanteprikken oscillerer, kan vi måske skyde neutronen af ​​i en bestemt retning." Neutroner er kraftfulde redskaber til at udløse både fissions- og fusionsreaktioner, men indtil videre har det været svært at kontrollere individuelle neutroner. Disse nye bundne tilstande kunne give meget større grader af kontrol over individuelle neutroner, som kunne spille en rolle i udviklingen af ​​nye kvanteinformationssystemer, siger han.

"En idé er at bruge den til at manipulere neutronen, og så vil neutronen være i stand til at påvirke andre nukleare spins," siger Li. I den forstand, siger han, kunne det neutroniske molekyle tjene som en mediator mellem de nukleare spins af separate kerner - og dette nukleare spin er en egenskab, der allerede bliver brugt som en grundlæggende lagerenhed, eller qubit, i udviklingen af ​​kvantecomputersystemer.

"Det nukleare spin er som en stationær qubit, og neutronen er som en flyvende qubit," siger han. "Det er en potentiel ansøgning." Han tilføjer, at dette er "helt anderledes end elektromagnetisk-baseret kvanteinformationsbehandling, som indtil videre er det dominerende paradigme. Så uanset om det er superledende qubits, eller det er fangede ioner eller nitrogen-fritidscentre, er de fleste af disse baseret på elektromagnetiske interaktioner. " I dette nye system "har vi i stedet neutroner og nuklear spin. Vi er lige begyndt at udforske, hvad vi kan gøre med det nu."

En anden mulig anvendelse, siger han, er en slags billeddannelse ved hjælp af neutral aktiveringsanalyse. "Neutronbilleddannelse komplementerer røntgenbilleddannelse, fordi neutroner interagerer meget stærkere med lette elementer," siger Li. Det kan også bruges til materialeanalyse, som kan give information ikke kun om grundstofsammensætning, men endda om de forskellige isotoper af disse elementer. "Meget af den kemiske billeddannelse og spektroskopi fortæller os ikke om isotoperne," hvorimod den neutronbaserede metode kunne gøre det, siger han.

Flere oplysninger: Hao Tang et al, μeV-Deep Neutron Bound States in Nanocrystals, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12929

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.