Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили «нейтронные частицы»

Нейтроны — это субатомные частицы, не имеющие электрического заряда, в отличие от протонов и электронов. Это означает, что, хотя за большинство взаимодействий между излучением и веществом отвечает электромагнитная сила, нейтроны по существу невосприимчивы к этой силе.

Вместо этого нейтроны удерживаются вместе внутри атомного ядра только благодаря так называемому сильному взаимодействию, одной из четырех фундаментальных сил природы. Как следует из названия, эта сила действительно очень сильна, но только на очень близком расстоянии — она уменьшается так быстро, что составляет всего 1/10 000 размера атома. Но теперь исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что нейтроны на самом деле можно заставить цепляться за частицы, называемые квантовыми точками, состоящими из десятков тысяч атомных ядер, которые существуют только под действием сильной силы.

Новое открытие может привести к созданию новых полезных инструментов для изучения фундаментальных свойств материалов на квантовом уровне, в том числе возникающих в результате сильного взаимодействия, а также исследования новых типов устройств квантовой обработки информации. Работа является Об этом сообщается на этой неделе в журнале ACS Nano.в статье, написанной аспирантами Массачусетского технологического института Хао Таном и Гоцин Ваном, а также профессорами Массачусетского технологического института Джо Ли и Паолой Капелларо с факультета ядерной науки и техники.

Нейтроны широко используются для исследования свойств материалов с использованием метода, называемого рассеянием нейтронов, при котором пучок нейтронов фокусируется на образце, и нейтроны могут быть обнаружены, отражаясь от атомов материала, чтобы выявить внутреннюю структуру и динамику материала.

Но до этой новой работы никто не думал, что эти нейтроны прилипнут к искомым материалам. «факт, что [the neutrons] «Они могут быть пойманы в ловушку материалов, и, похоже, никто об этом не знает», — говорит Ли, который также является профессором материаловедения и инженерии. «Мы были удивлены тем, что это существовало и что никто раньше не говорил об этом среди экспертов, с которыми мы проверяли», — говорит он.

Причина, по которой это новое открытие столь удивительно, объясняет Ли, заключается в том, что нейтроны не взаимодействуют с электромагнитными силами. По его словам, из четырех фундаментальных сил гравитация и слабое взаимодействие «обычно не важны для материалов». «Практически все является электромагнитным взаимодействием, но в данном случае, поскольку нейтрон не имеет заряда, взаимодействие здесь осуществляется посредством сильного взаимодействия, и мы знаем, что оно очень короткодействующее. Оно эффективно в диапазоне 10». В минус 15 степеней, или одна квадриллионная метра.

«Она очень маленькая, но очень сильная», — говорит он об этой силе, которая связывает ядра атомов вместе. «Но что интересно, так это то, что у нас есть несколько тысяч ядер в этой нейтронной квантовой точке, и они способны стабилизировать эти связанные состояния, волновые функции которых более распространены на десятки нанометров». [billionths of a meter]. Эти состояния, связанные с нейтронами в квантовой точке, на самом деле очень похожи на модель атома Томсона после открытия им электрона.

Это было неожиданно, и Ли описал это как «довольно безумное решение проблемы квантовой механики». Команда называет недавно открытое состояние искусственной «нейтронной частицей».

Эти нейтронные частицы состоят из квантовых точек — крошечных кристаллических частиц, групп атомов настолько маленьких, что их свойства определяются скорее точным размером и формой частиц, чем их составом. Открытие квантовых точек и контроль над их производством стали темой Нобелевской премии по химии 2023 года. Награжден профессору Массачусетского технологического института Монджи Бавинде. И еще двое.

«В обычных квантовых точках электрон захватывается электромагнитным потенциалом, генерируемым микроскопическим количеством атомов, поэтому его волновая функция простирается примерно до 10 нанометров, что намного больше, чем типичный атомный радиус», — говорит Капелларо. «Аналогичным образом в этих ядерных квантовых точках один нейтрон может быть захвачен нанокристаллом, размер которого значительно превышает диапазон ядерных сил, и демонстрировать аналогичную квантованную энергию». Хотя эти скачки энергии придают квантовым точкам свой цвет, нейтронные квантовые точки можно использовать для хранения квантовой информации.

Данная работа основана на теоретических расчетах и ​​компьютерном моделировании. «Мы сделали это аналитически двумя разными способами, а в конце концов проверили и численно», — говорит Ли. Хотя этот эффект ранее не был описан, в принципе нет причин, по которым его нельзя было бы обнаружить гораздо раньше: «Теоретически люди уже должны были подумать об этом», — говорит он, но насколько далеко зашла команда эту степень в состоянии определить, никто не имеет.

Часть сложности в выполнении расчетов связана с разными масштабами: энергия связи нейтрона с квантовыми точками, к которым они привязаны, составляет примерно одну триллионную от ранее известных условий, когда нейтрон связан с небольшой группой ядер. . В этой работе команда использовала аналитический инструмент, называемый функцией Грина, чтобы доказать, что сильной силы достаточно для захвата нейтронов квантовой точкой радиусом не менее 13 нанометров.

Затем исследователи провели детальное моделирование конкретных случаев, таких как использование нанокристалла гидрида лития — материала, изучаемого в качестве потенциального носителя водорода. Они показали, что энергия связи нейтронов с нанокристаллом зависит от точных размеров и формы кристалла, а также от поляризации ядерного спина ядра по сравнению с поляризацией нейтрона. Они также рассчитали аналогичные эффекты для тонких пленок и проводов из этого материала по сравнению с частицами.

Но Ли говорит, что создание таких нейтронных частиц в лаборатории, которая, среди прочего, требует специального оборудования для поддержания температуры в пределах нескольких тысячных долей кельвина выше абсолютного нуля, — это то, чем должны будут заниматься другие исследователи с необходимым опытом.

Ли отмечает, что «искусственные атомы», состоящие из групп атомов, которые имеют общие свойства и могут вести себя во многом так же, как одиночный атом, использовались для изучения многих свойств реальных атомов. Аналогичным образом, по его словам, эти синтетические молекулы представляют собой «интересную модельную систему», которую можно использовать для изучения «интересных квантово-механических проблем, о которых можно подумать», например, будут ли эти нейтронные молекулы иметь структуру оболочки, имитирующую структуру электронной оболочки атомы.

«Одно из потенциальных применений заключается в том, что мы сможем точно контролировать состояние нейтрона, — говорит он. — Изменяя способ колебаний квантовой точки, мы сможем запускать нейтрон в определенном направлении». Нейтроны являются мощным инструментом для запуска реакций деления и синтеза, но до сих пор было трудно контролировать отдельные нейтроны. Он говорит, что эти новые связанные состояния могут обеспечить гораздо большую степень контроля над отдельными нейтронами, что может сыграть роль в разработке новых квантовых информационных систем.

«Одна из идей состоит в том, чтобы использовать его для манипулирования нейтроном, чтобы нейтрон мог влиять на другие ядерные спины», — говорит Ли. В этом смысле, говорит он, нейтронная частица может выступать в качестве посредника между ядерными спинами отдельных ядер — и этот ядерный спин является свойством, которое уже используется в качестве фундаментальной единицы хранения, или кубита, при разработке квантовых компьютерных систем.

Он говорит: «Ядерный спин подобен неподвижному кубиту, а нейтрон — летающему кубиту». «Это одно из потенциальных применений». Он добавляет, что это «очень отличается от квантовой обработки информации, основанной на электромагнетизме, которая до сих пор является доминирующей парадигмой. Таким образом, независимо от того, являются ли они сверхпроводящими кубитами, захваченными ионами или вакантными центрами азота, большинство из них основаны на электромагнитных Вместо этого в этой новой системе «у нас есть нейтроны и ядерный спин. Сейчас мы только начинаем исследовать, что мы можем с этим сделать».

Еще одно потенциальное применение, по его словам, — это визуализация с использованием анализа нейтральной активации. «Нейтронная визуализация дополняет рентгеновскую визуализацию, поскольку нейтроны сильнее взаимодействуют с легкими элементами», — говорит Ли. Его также можно использовать для анализа материалов, который может предоставить информацию не только об элементном составе, но и о различных изотопах этих элементов. «Многие методы химической визуализации и спектроскопии не говорят нам об изотопах», — говорит он, в то время как нейтронный метод может это сделать.

Исследование было поддержано Управлением военно-морских исследований США.