Cercetătorii de la MIT au descoperit „particule de neutroni”

Neutronii sunt particule subatomice care nu au sarcină electrică, spre deosebire de protoni și electroni. Aceasta înseamnă că, în timp ce forța electromagnetică este responsabilă pentru majoritatea interacțiunilor dintre radiație și materie, neutronii sunt în esență imuni la această forță.

În schimb, neutronii sunt ținuți împreună în interiorul nucleului atomic doar prin ceea ce se numește forța puternică, una dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii. După cum sugerează și numele, forța este într-adevăr foarte puternică, dar numai la o distanță foarte apropiată – scade atât de repede încât are doar 1/10.000 de dimensiunea unui atom. Dar acum, cercetătorii de la MIT au descoperit că neutronii pot fi de fapt făcuți să se agațe de particule numite puncte cuantice, care sunt formate din zeci de mii de nuclee atomice, care sunt acolo doar printr-o forță puternică.

Noua descoperire ar putea duce la noi instrumente utile pentru explorarea proprietăților fundamentale ale materialelor la nivel cuantic, inclusiv cele care decurg din forța puternică, precum și la explorarea unor noi tipuri de dispozitive de procesare a informațiilor cuantice. Munca este Raportat săptămâna aceasta în jurnalul ACS Nanoîntr-o lucrare scrisă de studenții absolvenți ai MIT Hao Tang și Guoqing Wang și de profesorii MIT Joe Li și Paola Capellaro de la Departamentul de Știință și Inginerie Nucleară.

Neutronii sunt folosiți pe scară largă pentru a explora proprietățile materialelor utilizând o metodă numită împrăștiere a neutronilor, în care un fascicul de neutroni este concentrat pe o probă, iar neutronii pot fi detectați revărsând atomii unui material pentru a dezvălui structura și dinamica internă a materialului.

Dar până la această nouă lucrare, nimeni nu credea că acești neutroni se vor lipi de materialele pe care le căutau. „fapt că [the neutrons] „Ar putea fi prinși de materiale și nimeni nu pare să știe despre asta”, spune Lee, care este și profesor de știința materialelor și inginerie. „Am fost surprinși că acest lucru a existat și că nimeni nu a vorbit despre asta înainte, printre experții cu care am verificat”, spune el.

Motivul pentru care această nouă descoperire este atât de surprinzătoare, explică Lee, este că neutronii nu interacționează cu forțele electromagnetice. Dintre cele patru forțe fundamentale, spune el, gravitația și forța slabă „nu sunt, în general, importante pentru materiale”. „Aproape totul este interacțiune electromagnetică, dar în acest caz, din moment ce neutronul nu are nicio sarcină, interacțiunea aici se face prin interacțiune puternică și știm că este foarte scurtă. Este eficientă în intervalul de 10.” La 15 puteri negative, sau o cvadrilionime dintr-un metru.

„Este foarte mic, dar foarte puternic”, spune el despre această forță care leagă nucleele atomilor. „Dar ceea ce este interesant este că avem câteva mii de nuclee în acest punct cuantic de neutroni, și care este capabil să stabilizeze aceste stări legate, care au funcții de undă care sunt mai răspândite la zeci de nanometri.” [billionths of a meter]. Aceste stări asociate cu neutronii într-un punct cuantic sunt de fapt destul de asemănătoare cu modelul atomic al lui Thomson, după descoperirea sa a electronului.

A fost neașteptat și Lee a descris-o ca fiind „o soluție destul de nebună la o problemă de mecanică cuantică”. Echipa numește starea nou descoperită o „particulă de neutroni” artificială.

Aceste particule de neutroni sunt compuse din puncte cuantice, care sunt particule cristaline minuscule, grupuri de atomi atât de mici încât proprietățile lor sunt guvernate mai mult de dimensiunea și forma precisă a particulelor decât de compoziția lor. Descoperirea punctelor cuantice și controlul producției lor a fost subiectul Premiului Nobel pentru Chimie în 2023. Acordat profesorului MIT Monji Bawinde Și încă doi.

„În punctele cuantice convenționale, electronul este prins de potențialul electromagnetic generat de un număr microscopic de atomi, astfel încât funcția sa de undă se extinde la aproximativ 10 nanometri, ceea ce este mult mai mare decât raza atomică tipică”, spune Capellaro. „În mod similar, în aceste puncte cuantice nucleare, un singur neutron poate fi prins de un nanocristal, cu o dimensiune mult peste intervalul forței nucleare și poate prezenta energii cuantificate similare.” În timp ce aceste salturi de energie dau punctelor cuantice culorile lor, punctele cuantice de neutroni pot fi folosite pentru a stoca informații cuantice.

Această lucrare se bazează pe calcule teoretice și simulări computaționale. „Am făcut-o analitic în două moduri diferite și, în final, am verificat-o și numeric”, spune Lee. Deși acest efect nu a fost descris înainte, în principiu nu există niciun motiv pentru care să nu fi putut fi descoperit mult mai devreme: „În teorie, oamenii ar fi trebuit să se gândească deja la el”, spune el, dar în ceea ce privește echipa a ajuns. această măsură capabil să determine, nimeni nu are.

O parte din dificultatea efectuării calculelor este reprezentată de diferitele scale implicate: energia de legare a unui neutron de punctele cuantice de care se lipeau este de aproximativ o trilionime din condițiile cunoscute anterior, în care un neutron este legat de un grup mic de nuclee. . În această lucrare, echipa a folosit un instrument analitic numit funcția lui Green pentru a demonstra că o forță puternică a fost suficientă pentru a captura neutroni cu un punct cuantic cu o rază de cel puțin 13 nanometri.

În continuare, cercetătorii au efectuat simulări detaliate ale cazurilor specifice, cum ar fi utilizarea unui nanocristal de hidrură de litiu, un material studiat ca mediu de stocare potențial pentru hidrogen. Ei au arătat că energia de legare a neutronilor la nanocristal depinde de dimensiunile și forma exactă a cristalului, precum și de polarizarea spinului nuclear al nucleului în comparație cu polarizarea neutronilor. De asemenea, au calculat efecte similare pentru peliculele subțiri și firele din material în comparație cu particulele.

Dar Lee spune că crearea unor astfel de particule de neutroni în laborator, care, printre altele, necesită echipamente specializate pentru a menține temperaturile cu câteva miimi de kelvin peste zero absolut, este ceva ce vor trebui să facă alți cercetători cu expertiza potrivită.

Lee subliniază că „atomii artificiali” formați din grupuri de atomi care împărtășesc proprietăți și se pot comporta în multe feluri ca un singur atom au fost folosiți pentru a explora multe dintre proprietățile atomilor reali. De asemenea, spune el, aceste molecule sintetice oferă un „sistem model interesant” care poate fi folosit pentru a studia „probleme mecanice cuantice interesante la care ne-am putea gândi”, cum ar fi dacă aceste molecule de neutroni ar avea o structură de înveliș care imită structura învelișului de electroni a lui. atomi.

„O aplicație potențială este că am putea controla cu precizie starea neutronului”, spune el. „Prin schimbarea modului în care punctul cuantic oscilează, am putea fi capabili să declanșăm neutronul într-o direcție specifică.” Neutronii sunt instrumente puternice pentru lucruri precum declanșarea reacțiilor de fisiune și fuziune, dar până acum a fost dificil să controlezi neutronii individuali. El spune că aceste noi stări legate ar putea oferi grade mult mai mari de control asupra neutronilor individuali, care ar putea juca un rol în dezvoltarea de noi sisteme de informații cuantice.

„O idee este să-l folosiți pentru a manipula neutronul, astfel încât neutronul să poată influența alte rotiri nucleare”, spune Lee. În acest sens, spune el, particulele de neutroni ar putea acționa ca un intermediar între spinurile nucleare ale nucleelor ​​separate – iar acest spin nuclear este o proprietate care este deja folosită ca unitate fundamentală de stocare, sau qubit, în dezvoltarea sistemelor computerizate cuantice.

El spune: „Spinul nuclear este ca un qubit staționar, iar neutronul este ca un qubit zburător”. „Aceasta este o aplicație potențială.” El adaugă că aceasta este „foarte diferită de procesarea informației cuantice bazată pe electromagnetism, care este paradigma dominantă până acum. Deci, indiferent dacă sunt qubiți supraconductori, ioni prinși sau centre libere de azot, majoritatea se bazează pe electromagnetice. interacțiuni.” În schimb, în ​​acest nou sistem, „avem neutroni și spin nuclear. Tocmai începem să explorăm ce putem face cu el acum”.

O altă aplicație potențială, spune el, este un tip de imagistică care utilizează analiza de activare neutră. „Imagistica cu neutroni completează imagistica cu raze X, deoarece neutronii interacționează mai puternic cu elementele ușoare”, spune Lee. Poate fi folosit și pentru analiza materialelor, care poate oferi informații nu numai despre compoziția elementară, ci și despre diferiții izotopi ai acelor elemente. „O mulțime de imagini chimice și spectroscopie nu ne vorbesc despre izotopi”, spune el, în timp ce metoda bazată pe neutroni poate.

Cercetarea a fost susținută de Oficiul de Cercetare Navală din SUA.