‘Neutronische moleculen’: onderzoek toont aan dat neutronen zich kunnen binden aan kwantumdots

Neutronen zijn subatomaire deeltjes die geen elektrische lading hebben, in tegenstelling tot protonen en elektronen. Dat betekent dat, hoewel de elektromagnetische kracht verantwoordelijk is voor de meeste interacties tussen straling en materialen, neutronen in wezen immuun zijn voor die kracht.

In plaats daarvan worden neutronen binnen de atoomkern uitsluitend bij elkaar gehouden door iets dat de sterke kracht wordt genoemd, een van de vier fundamentele krachten van de natuur. Zoals de naam al aangeeft, is de kracht inderdaad erg sterk, maar alleen op zeer korte afstand; ze neemt zo snel af dat ze verwaarloosbaar is boven 1/10.000 van de grootte van een atoom.

Maar nu hebben onderzoekers van het MIT ontdekt dat je neutronen daadwerkelijk kunt laten vastklampen aan deeltjes die kwantumdots worden genoemd en die bestaan ​​uit tienduizenden atoomkernen die daar alleen door de sterke kracht worden vastgehouden.

De nieuwe bevinding kan leiden tot nuttige nieuwe hulpmiddelen voor het onderzoeken van de basiseigenschappen van materialen op kwantumniveau, inclusief die welke voortkomen uit de sterke kracht, en voor het verkennen van nieuwe soorten apparaten voor het verwerken van kwantuminformatie.

Het werk was gepubliceerd deze week in het journaal ACS Nano in een paper van MIT-studenten Hao Tang en Guoqing Wang en MIT-professoren Ju Li en Paola Cappellaro van het Department of Nuclear Science and Engineering.

Neutronen worden veel gebruikt om materiaaleigenschappen te onderzoeken met behulp van een methode die neutronenverstrooiing wordt genoemd, waarbij een straal neutronen op een monster wordt gefocust en de neutronen die tegen de atomen van het materiaal stuiteren, kunnen worden gedetecteerd om de interne structuur en dynamiek van het materiaal te onthullen.

Maar tot dit nieuwe werk dacht niemand dat deze neutronen zich daadwerkelijk zouden kunnen hechten aan de materialen die ze onderzochten. “Het feit dat [the neutrons] kan vast komen te zitten door de materialen, niemand lijkt daar iets van te weten,” zegt Li, die tevens hoogleraar materiaalkunde en techniek is. “We waren verrast dat dit bestaat, en dat niemand er eerder over had gesproken, onder de experts waarmee we hadden navraag gedaan:” hij zegt.

De reden dat deze nieuwe bevinding zo verrassend is, legt Li uit, is dat neutronen geen interactie hebben met elektromagnetische krachten. Van de vier fundamentele krachten, de zwaartekracht en de zwakke kracht “zijn over het algemeen niet belangrijk voor materialen,” hij zegt. “Vrijwel alles is elektromagnetische interactie, maar in dit geval, omdat het neutron geen lading heeft, vindt de interactie hier plaats door middel van sterke interactie, en we weten dat dit over een zeer korte afstand gaat. Het is effectief in een bereik van 10 tot min 15,” of een biljardste van een meter.

“Het is heel klein, maar heel intens,” zegt hij over deze kracht die de atoomkernen bij elkaar houdt. “Maar wat interessant is, is dat we deze vele duizenden kernen in deze neutronische kwantumdot hebben, en dat deze in staat zijn deze gebonden toestanden te stabiliseren, die veel diffusere golffuncties hebben op tientallen nanometers. Deze neutronengebonden toestanden in een kwantumdot lijken eigenlijk behoorlijk op Thomsons pruimenpuddingmodel van een atoom, na zijn ontdekking van het elektron.”

Het was zo onverwacht, noemt Li het “een behoorlijk gekke oplossing voor een kwantummechanisch probleem.” Het team noemt de nieuw ontdekte toestand een kunstmatige “neutronisch molecuul.”

Deze neutronische moleculen zijn gemaakt van kwantumdots, dit zijn kleine kristallijne deeltjes, verzamelingen atomen die zo klein zijn dat hun eigenschappen meer worden bepaald door de exacte grootte en vorm van de deeltjes dan door hun samenstelling. De ontdekking en gecontroleerde productie van kwantumdots waren het onderwerp van de Nobelprijs voor de Scheikunde van 2023, die werd toegekend aan MIT-professor Moungi Bawendi en twee anderen.

“In conventionele kwantumdots wordt een elektron gevangen door het elektromagnetische potentieel dat wordt gecreëerd door een macroscopisch aantal atomen, waardoor de golffunctie zich uitstrekt tot ongeveer 10 nanometer, veel groter dan een typische atoomstraal.” zegt Capellaro. “Op dezelfde manier kan in deze nucleonische kwantumstippen een enkel neutron worden opgevangen door een nanokristal, met een omvang die ver buiten het bereik van de kernkracht ligt, en vergelijkbare gekwantiseerde energieën vertonen.” Hoewel deze energiesprongen kwantumstippen hun kleur geven, kunnen de neutronische kwantumstippen worden gebruikt voor het opslaan van kwantuminformatie.

Dit werk is gebaseerd op theoretische berekeningen en computationele simulaties. “We hebben het op twee verschillende manieren analytisch gedaan en uiteindelijk ook numeriek geverifieerd.” zegt Li. Hoewel het effect nog nooit eerder is beschreven, zegt hij, is er in principe geen reden waarom het niet veel eerder had kunnen worden gevonden: “Conceptueel gezien hadden mensen er al over moeten nadenken,” zegt hij, maar voor zover het team heeft kunnen vaststellen, heeft niemand dat gedaan.

Een deel van de moeilijkheid bij het uitvoeren van de berekeningen is dat er heel verschillende schalen bij betrokken zijn: de bindingsenergie van een neutron aan de kwantumdots waaraan ze zich hechten is ongeveer een biljoenste van die van eerder bekende omstandigheden waarin het neutron gebonden is aan een kleine groep kernen. . Voor dit werk gebruikte het team een ​​analytisch hulpmiddel genaamd de Green-functie om aan te tonen dat de sterke kracht voldoende was om neutronen te vangen met een kwantumdot met een minimale straal van 13 nanometer.

Vervolgens voerden de onderzoekers gedetailleerde simulaties uit van specifieke gevallen, zoals het gebruik van een lithiumhydride-nanokristal, een materiaal dat wordt bestudeerd als mogelijk opslagmedium voor waterstof. Ze toonden aan dat de bindingsenergie van de neutronen aan het nanokristal afhankelijk is van de exacte afmetingen en vorm van het kristal, evenals van de nucleaire spinpolarisaties van de kernen vergeleken met die van het neutron. Ze berekenden ook vergelijkbare effecten voor dunne films en draden van het materiaal, in tegenstelling tot deeltjes.

Maar Li zegt dat het daadwerkelijk creëren van dergelijke neutronische moleculen in het laboratorium, waarvoor onder andere gespecialiseerde apparatuur nodig is om de temperatuur binnen het bereik van een paar duizendste Kelvin boven het absolute nulpunt te houden, iets is dat andere onderzoekers met de juiste expertise zullen moeten ondernemen. .

Li merkt dat op “kunstmatige atomen” bestaande uit assemblages van atomen die eigenschappen delen en zich op veel manieren kunnen gedragen als een enkel atoom, zijn gebruikt om veel eigenschappen van echte atomen te onderzoeken. Op dezelfde manier, zegt hij, zorgen deze kunstmatige moleculen voor “een interessant modelsysteem” dat gebruikt zou kunnen worden om te studeren “interessante kwantummechanische problemen waar je over kunt nadenken,” zoals de vraag of deze neutronische moleculen een schilstructuur zullen hebben die de elektronenschilstructuur van atomen nabootst.

“Een mogelijke toepassing,” hij zegt, “is dat we misschien de neutronentoestand nauwkeurig kunnen controleren. Door de manier te veranderen waarop de quantum dot oscilleert, kunnen we het neutron misschien in een bepaalde richting afschieten.” Neutronen zijn krachtige hulpmiddelen voor onder meer het op gang brengen van zowel splijtings- als fusiereacties, maar tot nu toe is het moeilijk geweest om individuele neutronen onder controle te houden. Deze nieuwe gebonden staten zouden een veel grotere mate van controle over individuele neutronen kunnen bieden, wat een rol zou kunnen spelen bij de ontwikkeling van nieuwe kwantuminformatiesystemen, zegt hij.

“Eén idee is om het te gebruiken om het neutron te manipuleren, en dan zal het neutron andere kernspins kunnen beïnvloeden.” zegt Li. In die zin, zegt hij, zou het neutronische molecuul kunnen dienen als bemiddelaar tussen de kernspins van afzonderlijke kernen – en deze kernspin is een eigenschap die al wordt gebruikt als basisopslageenheid, of qubit, bij de ontwikkeling van kwantumcomputersystemen.

“De kernspin is als een stationaire qubit, en het neutron is als een vliegende qubit.” hij zegt. “Dat is een mogelijke toepassing.” Hij voegt eraan toe dat dit zo is “heel anders dan de op elektromagnetische straling gebaseerde kwantuminformatieverwerking, die tot nu toe het dominante paradigma is. Dus ongeacht of het om supergeleidende qubits gaat of om gevangen ionen of stikstofvacaturecentra, de meeste hiervan zijn gebaseerd op elektromagnetische interacties.” In dit nieuwe systeem wordt in plaats daarvan “we hebben neutronen en kernspin. We beginnen nu pas te onderzoeken wat we ermee kunnen doen.”

Een andere mogelijke toepassing, zegt hij, is voor een soort beeldvorming, waarbij gebruik wordt gemaakt van neutrale activeringsanalyse. “Neutronenbeeldvorming vormt een aanvulling op röntgenbeeldvorming omdat neutronen veel sterker interageren met lichte elementen.” zegt Li. Het kan ook worden gebruikt voor materiaalanalyse, die niet alleen informatie kan verschaffen over de samenstelling van de elementen, maar zelfs over de verschillende isotopen van die elementen. “Veel van de chemische beeldvorming en spectroscopie vertellen ons niets over de isotopen,” terwijl de op neutronen gebaseerde methode dit zou kunnen doen, zegt hij.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.