I ricercatori del MIT hanno scoperto le “particelle di neutroni”

I neutroni sono particelle subatomiche che non hanno carica elettrica, a differenza dei protoni e degli elettroni. Ciò significa che mentre la forza elettromagnetica è responsabile della maggior parte delle interazioni tra radiazione e materia, i neutroni ne sono sostanzialmente immuni.

I neutroni, invece, sono tenuti insieme all’interno del nucleo atomico solo da quella che viene chiamata la forza forte, una delle quattro forze fondamentali della natura. Come suggerisce il nome, la forza è davvero molto forte, ma solo a una distanza molto ravvicinata: diminuisce così rapidamente che è solo 1/10.000 della dimensione di un atomo. Ma ora, i ricercatori del MIT hanno scoperto che i neutroni possono effettivamente essere fatti aderire a particelle chiamate punti quantici, costituiti da decine di migliaia di nuclei atomici, che sono lì solo grazie a una forza forte.

La nuova scoperta potrebbe portare a nuovi strumenti utili per esplorare le proprietà fondamentali dei materiali a livello quantistico, comprese quelle derivanti dalla forza forte, nonché a esplorare nuovi tipi di dispositivi di elaborazione delle informazioni quantistiche. Il lavoro è Riportato questa settimana nella rivista ACS Nanoin un articolo scritto dagli studenti laureati del MIT Hao Tang e Guoqing Wang e dai professori del MIT Joe Li e Paola Capellaro del Dipartimento di Scienza e Ingegneria Nucleare.

I neutroni sono ampiamente utilizzati per esplorare le proprietà dei materiali utilizzando un metodo chiamato scattering di neutroni, in cui un fascio di neutroni è focalizzato su un campione e i neutroni possono essere rilevati che rimbalzano sugli atomi di un materiale per rivelare la struttura interna e la dinamica del materiale.

Ma fino a questo nuovo lavoro, nessuno pensava che questi neutroni si sarebbero attaccati ai materiali che stavano cercando. “fatto che [the neutrons] “Potrebbero essere intrappolati dai materiali, e nessuno sembra saperlo”, dice Lee, che è anche professore di scienza e ingegneria dei materiali. “Siamo rimasti sorpresi che ciò esistesse e che nessuno ne avesse parlato prima, tra gli esperti con cui ci siamo confrontati”, dice.

Il motivo per cui questa nuova scoperta è così sorprendente, spiega Lee, è che i neutroni non interagiscono con le forze elettromagnetiche. Delle quattro forze fondamentali, dice, la gravità e la forza debole “non sono generalmente importanti per i materiali”. “Praticamente tutto è interazione elettromagnetica, ma in questo caso, poiché il neutrone non ha carica, l'interazione qui avviene attraverso l'interazione forte, e sappiamo che è a corto raggio. È efficace nell'intervallo 10.” A meno 15 potenze, ovvero un quadrilionesimo di metro.

“È molto piccolo, ma molto forte”, dice di questa forza che tiene insieme i nuclei degli atomi. “Ma ciò che è interessante è che abbiamo diverse migliaia di nuclei in questo punto quantico di neutroni, e questo è in grado di stabilizzare questi stati legati, che hanno funzioni d'onda che sono più diffuse a decine di nanometri.” [billionths of a meter]. Questi stati associati ai neutroni in un punto quantico sono in realtà abbastanza simili al modello dell'atomo di Thomson, dopo la sua scoperta dell'elettrone.

Era inaspettato e Lee lo descrisse come “una soluzione piuttosto folle a un problema di meccanica quantistica”. Il team definisce lo stato appena scoperto una “particella di neutroni” artificiale.

Queste particelle di neutroni sono composte da punti quantici, che sono minuscole particelle cristalline, gruppi di atomi così piccoli che le loro proprietà sono governate più dalla dimensione e dalla forma precise delle particelle che dalla loro composizione. La scoperta dei punti quantici e il controllo della loro produzione è stata oggetto del Premio Nobel per la Chimica 2023. Assegnato al professor Monji Bawinde del MIT E altri due.

“Nei punti quantici convenzionali, l'elettrone è intrappolato dal potenziale elettromagnetico generato da un numero microscopico di atomi, quindi la sua funzione d'onda si estende a circa 10 nanometri, che è molto più grande del tipico raggio atomico”, dice Capellaro. “Allo stesso modo, in questi punti quantici nucleari, un singolo neutrone può essere intrappolato da un nanocristallo, con una dimensione ben oltre l’intervallo della forza nucleare, e mostrare energie quantizzate simili”. Mentre questi salti energetici conferiscono ai punti quantici i loro colori, i punti quantici di neutroni possono essere utilizzati per archiviare informazioni quantistiche.

Questo lavoro si basa su calcoli teorici e simulazioni computazionali. “Lo abbiamo fatto analiticamente in due modi diversi e alla fine lo abbiamo verificato anche numericamente”, afferma Lee. Anche se questo effetto non è stato descritto prima, in linea di principio non c’è motivo per cui non avrebbe potuto essere scoperto molto prima: “In teoria, la gente avrebbe dovuto già pensarci”, dice, ma per quanto il team è arrivato a questa misura in grado di determinare, nessuno lo ha fatto.

Parte della difficoltà nell’effettuare i calcoli è dovuta alle diverse scale coinvolte: l’energia di legame di un neutrone ai punti quantici a cui erano attaccati è circa un trilionesimo delle condizioni precedentemente note in cui un neutrone è legato a un piccolo gruppo di nuclei. . In questo lavoro, il team ha utilizzato uno strumento analitico chiamato funzione di Green per dimostrare che una forza forte era sufficiente per catturare neutroni con un punto quantico con un raggio di almeno 13 nanometri.

Successivamente, i ricercatori hanno eseguito simulazioni dettagliate di casi specifici, come l’utilizzo di un nanocristallo di idruro di litio, un materiale studiato come potenziale mezzo di stoccaggio dell’idrogeno. Hanno dimostrato che l’energia di legame dei neutroni al nanocristallo dipende dalle dimensioni esatte e dalla forma del cristallo, nonché dalle polarizzazioni dello spin nucleare del nucleo rispetto alla polarizzazione dei neutroni. Hanno anche calcolato effetti simili per pellicole sottili e fili costituiti dal materiale rispetto alle particelle.

Ma Lee dice che creare tali particelle di neutroni in laboratorio, che tra le altre cose richiede attrezzature specializzate per mantenere le temperature entro pochi millesimi di Kelvin sopra lo zero assoluto, è qualcosa che dovranno fare altri ricercatori con la giusta esperienza.

Lee sottolinea che gli “atomi artificiali”, costituiti da gruppi di atomi che condividono proprietà e possono comportarsi in molti modi come un singolo atomo, sono stati utilizzati per esplorare molte delle proprietà degli atomi reali. Allo stesso modo, dice, queste molecole sintetiche forniscono un “interessante sistema modello” che può essere utilizzato per studiare “interessanti problemi di meccanica quantistica a cui si potrebbe pensare”, come ad esempio se queste molecole di neutroni abbiano una struttura a guscio che imita la struttura a guscio di elettroni di atomi.

“Una potenziale applicazione è che potremmo essere in grado di controllare con precisione lo stato del neutrone. Cambiando il modo in cui oscilla il punto quantico, potremmo essere in grado di sparare il neutrone in una direzione specifica.” I neutroni sono strumenti potenti per cose come innescare reazioni di fissione e fusione, ma fino ad ora è stato difficile controllare i singoli neutroni. Secondo lui, questi nuovi stati legati potrebbero fornire livelli di controllo molto maggiori sui singoli neutroni, il che potrebbe svolgere un ruolo nello sviluppo di nuovi sistemi di informazione quantistica.

“Un'idea è quella di usarlo per manipolare il neutrone, in modo che il neutrone sia in grado di influenzare altri spin nucleari”, dice Lee. In questo senso, dice, la particella di neutrone potrebbe fungere da intermediario tra gli spin nucleari di nuclei separati – e questo spin nucleare è una proprietà già utilizzata come unità di memorizzazione fondamentale, o qubit, nello sviluppo di sistemi informatici quantistici.

Dice: “Lo spin nucleare è come un qubit stazionario, e il neutrone è come un qubit volante”. “Questa è una potenziale applicazione.” Aggiunge che questo è “molto diverso dall'elaborazione dell'informazione quantistica basata sull'elettromagnetismo, che è il paradigma dominante finora. Quindi, indipendentemente dal fatto che siano qubit superconduttori, ioni intrappolati o centri vacanti di azoto, la maggior parte di essi sono basati su elettromagnetismo”. interazioni.” Invece, in questo nuovo sistema, “abbiamo neutroni e spin nucleare. Stiamo appena iniziando a esplorare cosa possiamo farci adesso.”

Un'altra potenziale applicazione, dice, è un tipo di imaging che utilizza l'analisi di attivazione neutra. “L'imaging dei neutroni integra l'imaging a raggi X perché i neutroni interagiscono più fortemente con gli elementi leggeri”, afferma Lee. Può essere utilizzato anche per l'analisi dei materiali, che può fornire informazioni non solo sulla composizione elementare ma anche sui diversi isotopi di tali elementi. “Molte tecniche di imaging chimico e spettroscopia non ci dicono nulla sugli isotopi”, dice, mentre il metodo basato sui neutroni può farlo.

La ricerca è stata supportata dall'Ufficio statunitense di ricerca navale.