Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили «нейтронные» молекулы, в которых нейтроны можно заставить цепляться за квантовые точки, удерживаемые только сильной силой. Это открытие может привести к созданию новых инструментов для исследования свойств материалов на квантовом уровне и исследования новых типов устройств квантовой обработки информации. Здесь красный элемент представляет собой связанный нейтрон, сфера — наночастицу гидрида, а желтое поле — волновую функцию нейтрона.
Фото: Массачусетский технологический институт.

Новое открытие может привести к созданию новых полезных инструментов для исследования основных свойств материалов на квантовом уровне, в том числе тех, которые возникают в результате сильного взаимодействия, а также к исследованию новых типов устройств квантовой обработки информации.

Работа была опубликована на этой неделе в журнале ACS Nano в статье аспирантов Массачусетского технологического института Хао Тана и Гоцин Вана, а также профессоров Массачусетского технологического института Джу Ли и Паолы Каппелларо с факультета ядерной науки и техники.

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

Но до этой новой работы никто не думал, что эти нейтроны могут прилипать к материалам, которые они исследовали. «О том, что [нейтроны] могут захватываться материалами, никто, похоже, не знает», — говорит Ли, который также является профессором материаловедения и инженерии. «Мы были удивлены тем, что это существует и что никто раньше не говорил об этом среди экспертов», - говорит он.

Причина, по которой это новое открытие настолько 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 происходит через сильное взаимодействие, и мы знаем, что оно очень короткодействующее. Оно эффективно на расстоянии 10 в минус 15 степени», или одна квадриллионная метра.

«Она очень маленькая, но очень мощная», — говорит он об этой силе, которая удерживает ядра атомов вместе. «Но что интересно, у нас есть многие тысячи ядер в этой нейтронно-физической квантовой точке, и они способны стабилизировать эти связанные состояния , которые имеют гораздо более диффузные волновые функции в десятках нанометров. Эти нейтронно-связанные состояния в квантовой точке на самом деле являются весьма похоже на модель атома в виде сливового пудинга, предложенную Томсоном после открытия им электрона».

Это было настолько неожиданно, что Ли назвал это «довольно сумасшедшим решением квантово-механической проблемы». Команда называет недавно открытое состояние искусственной «нейтронной молекулой».

Эти нейтронные молекулы состоят из квантовых точек, которые представляют собой крошечные кристаллические частицы, скопления атомов настолько маленьких, что их свойства определяются скорее точным размером и формой частиц, чем их составом. Открытие и контролируемое производство квантовых точек стали предметом Нобелевской премии по химии 2023 года, присужденной профессору Массачусетского технологического института Мунги Бавенди и двум другим.

«В обычных квантовых точках электрон захватывается электромагнитным потенциалом, созданным макроскопическим числом атомов, поэтому его волновая функция простирается примерно до 10 нанометров, что намного больше, чем типичный атомный радиус», — говорит Каппелларо. «Аналогичным образом в этих нуклонных квантовых точках один нейтрон может быть захвачен нанокристаллом, размер которого значительно выходит за пределы диапазона ядерных сил, и демонстрировать аналогичную квантованную энергию». Хотя эти скачки энергии придают квантовым точкам свой цвет, нейтронные квантовые точки могут использоваться для хранения квантовой информации.

Данная работа основана на теоретических расчетах и компьютерном моделировании. «Мы сделали это аналитически двумя разными способами, а в конечном итоге также проверили численно», — говорит Ли. Хотя этот эффект никогда раньше не описывался, говорит он, в принципе нет причин, по которым его нельзя было обнаружить гораздо раньше: «Концептуально, люди уже должны были об этом подумать», — говорит он, но насколько команда была смог определить, никто не сделал.

Часть сложности в выполнении вычислений связана с очень разными масштабами: энергия связи нейтрона с квантовыми точками, к которым они были прикреплены, составляет примерно одну триллионную энергии ранее известных условий, когда нейтрон связан с небольшой группой ядер. Для этой работы команда использовала аналитический инструмент, называемый функцией Грина, чтобы продемонстрировать, что сильной силы достаточно для захвата нейтронов квантовой точкой с минимальным радиусом 13 нанометров.

Затем исследователи провели детальное моделирование конкретных случаев, таких как использование нанокристалла гидрида лития — материала, изучаемого в качестве возможного носителя для хранения водорода. Они показали, что энергия связи нейтронов с нанокристаллом зависит от точных размеров и формы кристалла, а также от поляризации ядерных спинов ядер по сравнению с поляризацией нейтрона. Они также рассчитали аналогичные эффекты для тонких пленок и проволок материала, а не для частиц.

Но Ли говорит, что реальное создание таких нейтронно-физических молекул в лаборатории, что, помимо прочего, требует специального оборудования для поддержания температур в диапазоне нескольких тысячных долей Кельвина выше абсолютного нуля, — это то, что должны будут предпринять другие исследователи с соответствующим опытом. .

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

«Одно из возможных применений», — говорит он, — «может быть, мы сможем точно контролировать состояние нейтрона. Изменяя способ колебаний квантовой точки, возможно, мы сможем выстреливать нейтроном в определенном направлении». Нейтроны являются мощным инструментом для запуска реакций деления и синтеза, но до сих пор контролировать отдельные нейтроны было сложно. По его словам, 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, и тогда нейтрон сможет влиять на другие ядерные спины», — говорит Ли. В этом смысле, говорит он, нейтронная молекула могла бы служить посредником между ядерными спинами отдельных ядер — и этот ядерный спин является свойством, которое уже используется в качестве базовой единицы хранения, или кубита, при разработке квантовых компьютерных систем.

«Ядерный спин подобен неподвижному кубиту, а нейтрон — летающему кубиту», — говорит он. «Это одно из потенциальных применений». Он добавляет, что это «сильно отличается от квантовой обработки информации на основе электромагнетизма, которая до сих пор является доминирующей парадигмой. Таким образом, независимо от того, сверхпроводящие кубиты это или захваченные ионы или центры вакансий азота, большинство из них основаны на электромагнитных взаимодействиях." 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 возможное применение, по его словам, — это своего рода визуализация с использованием анализа нейтральной активации. «Нейтронная визуализация дополняет рентгеновскую визуализацию, поскольку нейтроны гораздо сильнее взаимодействуют с легкими элементами», — говорит Ли. Его также можно использовать для анализа материалов, который может предоставить информацию не только об элементном составе, но даже о различных изотопах этих элементов. «Большая часть химической визуализации и спектроскопии не говорит нам об изотопах», тогда как нейтронный метод мог бы это сделать, говорит он.