Istraživači otkrili neutronske molekule

Istraživači američkog instituta tehnologije MIT, otkrili su neutronske molekule, u kojima se neutroni mogu natjerati da se prilijepe za kvantne točke, držeći se samo jakom silom.

Neutroni su subatomske čestice koje nemaju električni naboj, za razliku od protona i elektrona. To znači da dok je elektromagnetska sila odgovorna za većinu interakcija između zračenja i materijala, neutroni su u biti imuni na tu silu.

Umjesto toga, neutrone drži zajedno unutar jezgre atoma isključivo nešto što se zove jaka sila, jedna od četiri temeljne sile prirode. Kao što ime govori, sila je doista vrlo jaka, ali samo na vrlo maloj udaljenosti pa opada tako brzo da je zanemariva iznad 1/10.000 veličine atoma.

Ali sada su istraživači s MIT-a otkrili da se neutroni zapravo mogu natjerati da se prilijepe za čestice zvane kvantne točke, koje se sastoje od desetaka tisuća atomskih jezgri, koje ondje drži samo jaka sila.

Novo otkriće moglo bi dovesti do korisnih novih alata za ispitivanje osnovnih svojstava materijala na kvantnoj razini, uključujući ona koja proizlaze iz jake sile, kao i istraživanje novih vrsta uređaja za kvantnu obradu informacija.

"Čini se da nitko ne zna za činjenicu da neutroni mogu biti zarobljeni materijalima", kaže Ju Li, profesor znanosti o materijalima i inženjerstva. "Iznenadili smo se da to postoji i da o tome nitko prije nije razgovarao među stručnjacima".

Razlog zašto je ovo novo otkriće toliko iznenađujuće, objašnjava Li, je taj što neutroni ne djeluju s elektromagnetskim silama. Od četiri temeljne sile, gravitacija i slaba sila općenito nisu važne za materijale. "Gotovo sve je elektromagnetska interakcija, ali u ovom slučaju, budući da neutron nema naboj, ovdje je kroz jaku interakciju, a znamo da je ona vrlo kratkog dometa. Djelotvorna je u rasponu od 10 do minus 15 stupnjeva, ili jedan kvadrilijunti dio metra.

"Vrlo je mala, ali je vrlo intenzivna", kaže Li o ovoj sili koja drži jezgre atoma zajedno. "Ali ono što je zanimljivo je da imamo toliko tisuća jezgri u ovoj neutronskoj kvantnoj točki, i to je u stanju stabilizirati ova vezana stanja, koja imaju mnogo difuznije valne funkcije na desecima nanometara".

Ovaj se rad temelji na teoretskim izračunima i računalnim simulacijama. "Učinili smo to analitički na dva različita načina, a na kraju smo to i numerički potvrdili", kaže Li. Iako učinak nikada prije nije opisan, u načelu nema razloga da se nije mogao otkriti puno ranije: "Konceptualno, ljudi su već trebali razmišljati o tome", kaže on, ali koliko je tim bio mogao utvrditi, nitko nije.

Dio poteškoća u izvođenju proračuna su vrlo različite uključene skale: Energija vezanja neutrona na kvantne točke na koje su se pričvrstili je oko jedan bilijunti dio prethodno poznatih uvjeta u kojima je neutron vezan na malu skupinu jezgri. Za ovaj rad tim je koristio analitički alat pod nazivom Greenova funkcija kako bi pokazao da je jaka sila dovoljna za hvatanje neutrona kvantnom točkom s minimalnim radijusom od 13 nanometara.

Zatim su istraživači napravili detaljne simulacije specifičnih slučajeva, poput upotrebe nanokristala litij hidrida, materijala koji se proučava kao mogući medij za pohranjivanje vodika. Pokazali su da energija vezanja neutrona na nanokristal ovisi o točnim dimenzijama i obliku kristala, kao i o polarizaciji nuklearnog spina jezgre u usporedbi s polarizacijom neutrona. Također su izračunali slične učinke za tanke slojeve i žice materijala za razliku od čestica.

Li primjećuje da su "umjetni atomi" sastavljeni od skupova atoma koji dijele svojstva i mogu se na mnogo načina ponašati kao jedan atom korišteni za ispitivanje mnogih svojstava pravih atoma. Slično tome, kaže on, te umjetne molekule daju "zanimljiv sustav modela" koji bi se mogao koristiti za proučavanje "zanimljivih kvantno mehaničkih problema o kojima se može razmišljati", kao što je hoće li ove neutronske molekule imati strukturu ljuske koja oponaša strukturu elektronske ljuske atoma.

"Jedna od mogućih primjena je da možda možemo precizno kontrolirati stanje neutrona. Promjenom načina na koji kvantna točka oscilira, možda možemo ispaliti neutron u određenom smjeru." Neutroni su moćni alati za takve stvari kao što su pokretanje reakcija fisije i fuzije, ali do sada je bilo teško kontrolirati pojedinačne neutrone. Ova nova vezana stanja mogla bi osigurati mnogo veće stupnjeve kontrole nad pojedinačnim neutronima, što bi moglo igrati ulogu u razvoju novih kvantnih informacijskih sustava", kaže Li.

"Jedna je ideja koristiti ga za manipulaciju neutronom, a onda će neutron moći utjecati na druge nuklearne vrtnje. U tom smislu, neutronska molekula mogla bi poslužiti kao posrednik između nuklearnih spinova odvojenih jezgri, a taj nuklearni spin je svojstvo koje se već koristi kao osnovna jedinica za pohranu, ili qubit, u razvoju kvantnih računalnih sustava.

Druga moguća primjena je za neku vrstu snimanja, korištenje neutralne aktivacijske analize. "Neutronsko snimanje nadopunjuje rendgensko snimanje jer su neutroni mnogo snažnije u interakciji s lakim elementima", kaže Li. Također se može koristiti za analizu materijala, koja može pružiti informacije ne samo o elementarnom sastavu nego čak i o različitim izotopima tih elemenata. "Veliki dio kemijskog snimanja i spektroskopije ne govori nam o izotopima", dok bi metoda temeljena na neutronima to mogla učiniti, kaže on.

Rad objavljen u časopisu ACS Nano možete pronaći na ovoj poveznici.