Neutroner är subatomära partiklar som inte har någon elektrisk laddning, till skillnad från protoner och elektroner. Det betyder att medan den elektromagnetiska kraften är ansvarig för de flesta av interaktionerna mellan strålning och material, är neutroner i huvudsak immuna mot den kraften.

Istället hålls neutroner samman inuti en atoms kärna enbart av något som kallas den starka kraften, en av de fyra grundläggande naturkrafterna. Som namnet antyder är kraften verkligen mycket stark, men bara på mycket nära håll – den sjunker så snabbt att den är försumbar bortom 1/10 000 av en atoms storlek.

Men nu har forskare vid MIT funnit att neutroner faktiskt kan fås att hålla fast vid partiklar som kallas kvantprickar, som består av tiotusentals atomkärnor, som hålls där bara av den starka kraften.

Den nya upptäckten kan leda till användbara nya verktyg för att undersöka de grundläggande egenskaperna hos material på kvantnivå, inklusive de som härrör från den starka kraften, såväl som att utforska nya typer av kvantinformationsbehandlingsenheter.

Verket publicerades denna vecka i tidskriften ACS Nano i en uppsats av MIT-studenterna Hao Tang och Guoqing Wang och MIT-professorerna Ju Li och Paola Cappellaro vid institutionen för kärnvetenskap och teknik.

Neutroner används i stor utsträckning för att undersöka materialegenskaper med hjälp av en metod som kallas neutronspridning, där en stråle av neutroner fokuseras på ett prov, och neutronerna som studsar av materialets atomer kan detekteras för att avslöja materialets inre struktur och dynamik.

Men fram till detta nya arbete trodde ingen att dessa neutroner faktiskt kunde hålla sig till materialet de sonderade. "Det faktum att [neutronerna] kan fångas av materialen, ingen verkar veta om det", säger Li, som också är professor i materialvetenskap och teknik. "Vi blev förvånade över att detta existerar, och att ingen hade pratat om det tidigare, bland de experter vi hade kollat ​​med", säger han.

Anledningen till att detta nya fynd är så överraskande, förklarar Li, är att neutroner inte interagerar med elektromagnetiska krafter. Av de fyra grundläggande krafterna är gravitationen och den svaga kraften "i allmänhet inte viktiga för material", säger han. "I stort sett allt är elektromagnetisk växelverkan, men i det här fallet, eftersom neutronen inte har någon laddning, sker växelverkan här genom den starka växelverkan, och vi vet att det är mycket kort räckvidd. Det är effektivt i ett intervall av 10 till minus 15, eller en kvadrilliondels meter.

"Det är väldigt litet, men det är väldigt intensivt", säger han om denna kraft som håller samman atomernas kärnor. "Men det som är intressant är att vi har dessa många tusen kärnor i denna neutroniska kvantprick, och det kan stabilisera dessa bundna tillstånd, som har mycket mer diffusa vågfunktioner vid tiotals nanometer. Dessa neutroniska bundna tillstånd i en kvantprick är faktiskt ganska besläktad med Thomsons plommonpuddingmodell av en atom, efter hans upptäckt av elektronen."

Det var så oväntat att Li kallar det "en ganska galen lösning på ett kvantmekaniskt problem." Teamet kallar det nyupptäckta tillståndet för en artificiell "neutronisk molekyl."

Dessa neutroniska molekyler är gjorda av kvantprickar, som är små kristallina partiklar, samlingar av atomer så små att deras egenskaper styrs mer av partiklarnas exakta storlek och form än av deras sammansättning. Upptäckten och den kontrollerade produktionen av kvantprickar var föremål för 2023 års Nobelpris i kemi, som tilldelades MIT-professor Moungi Bawendi och två andra.

"I konventionella kvantprickar fångas en elektron av den elektromagnetiska potentialen som skapas av ett makroskopiskt antal atomer, så dess vågfunktion sträcker sig till cirka 10 nanometer, mycket större än en typisk atomradie", säger Cappellaro. "På liknande sätt, i dessa nukleoniska kvantprickar, kan en enda neutron fångas av en nanokristall, med en storlek långt utanför kärnkraftens intervall, och visa liknande kvantiserade energier." Även om dessa energihopp ger kvantprickar deras färger, kan de neutroniska kvantprickarna användas för att lagra kvantinformation.

Detta arbete bygger på teoretiska beräkningar och beräkningssimuleringar. "Vi gjorde det analytiskt på två olika sätt och så småningom verifierade det också numeriskt", säger Li. Även om effekten aldrig hade beskrivits tidigare, säger han, finns det i princip ingen anledning att den inte kunde ha hittats mycket tidigare:"Begreppsmässigt borde folk redan ha tänkt på det", säger han, men så långt som teamet har varit kunna avgöra, det gjorde ingen.

En del av svårigheten med att göra beräkningarna är de mycket olika skalorna som är involverade:bindningsenergin för en neutron till kvantprickarna de fäste vid är ungefär en biljondel av tidigare kända förhållanden där neutronen är bunden till en liten grupp kärnor . För detta arbete använde teamet ett analysverktyg kallat Greens funktion för att visa att den starka kraften var tillräcklig för att fånga neutroner med en kvantpunkt med en minsta radie på 13 nanometer.

Sedan gjorde forskarna detaljerade simuleringar av specifika fall, som användningen av en litiumhydrid nanokristall, ett material som studeras som ett möjligt lagringsmedium för väte. De visade att neutronernas bindningsenergi till nanokristallen är beroende av kristallens exakta dimensioner och form, såväl som kärnspinnpolarisationerna hos kärnorna jämfört med neutronens. De beräknade också liknande effekter för tunna filmer och trådar av materialet i motsats till partiklar.

Men Li säger att att faktiskt skapa sådana neutroniska molekyler i labbet, vilket bland annat kräver specialiserad utrustning för att hålla temperaturer i intervallet några tusendels Kelvin över absolut noll, är något som andra forskare med lämplig expertis måste ta sig an. .

Li noterar att "konstgjorda atomer" som består av sammansättningar av atomer som delar egenskaper och kan bete sig på många sätt som en enda atom har använts för att undersöka många egenskaper hos verkliga atomer. På liknande sätt, säger han, ger dessa artificiella molekyler "ett intressant modellsystem" som kan användas för att studera "intressanta kvantmekaniska problem som man kan tänka på", till exempel om dessa neutroniska molekyler kommer att ha en skalstruktur som efterliknar elektronskalstrukturen av atomer.

"En möjlig tillämpning," säger han, "är att vi kanske kan kontrollera neutrontillståndet exakt. Genom att ändra hur kvantpunkten oscillerar, kanske vi kan skjuta av neutronen i en viss riktning." Neutroner är kraftfulla verktyg för sådant som att utlösa både fissions- och fusionsreaktioner, men hittills har det varit svårt att kontrollera enskilda neutroner. Dessa nya bundna tillstånd skulle kunna ge mycket större grader av kontroll över individuella neutroner, vilket kan spela en roll i utvecklingen av nya kvantinformationssystem, säger han.

"En idé är att använda den för att manipulera neutronen, och då kommer neutronen att kunna påverka andra kärnspinn", säger Li. I den meningen, säger han, skulle den neutroniska molekylen kunna fungera som en förmedlare mellan kärnspinn i separata kärnor - och detta kärnspinn är en egenskap som redan används som en grundläggande lagringsenhet, eller qubit, vid utveckling av kvantdatorsystem.

"Kärnspinnet är som en stationär qubit, och neutronen är som en flygande qubit", säger han. "Det är en potentiell ansökan." Han tillägger att detta är "ganska annorlunda än elektromagnetisk baserad kvantinformationsbehandling, som hittills är det dominerande paradigmet. Så, oavsett om det är supraledande qubits eller det är fångade joner eller vakanscentra för kväve, är de flesta av dessa baserade på elektromagnetiska interaktioner. " I det här nya systemet "har vi istället neutroner och kärnspinn. Vi har precis börjat utforska vad vi kan göra med det nu."

En annan möjlig tillämpning, säger han, är för en sorts avbildning, med hjälp av neutral aktiveringsanalys. "Neutronavbildning kompletterar röntgenavbildning eftersom neutroner interagerar mycket starkare med lätta element", säger Li. Det kan också användas för materialanalys, vilket kan ge information inte bara om elementär sammansättning utan även om de olika isotoper av dessa element. "Mycket av den kemiska avbildningen och spektroskopin berättar inte om isotoperna", medan den neutronbaserade metoden skulle kunna göra det, säger han.

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

Journalinformation: ACS Nano

Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.