Invece, i neutroni sono tenuti insieme all’interno del nucleo di un atomo esclusivamente da qualcosa chiamato forza forte, una delle quattro forze fondamentali della natura. Come suggerisce il nome, la forza è davvero molto forte, ma solo a distanza molto ravvicinata:diminuisce così rapidamente da essere trascurabile oltre 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, che sono costituiti da decine di migliaia di nuclei atomici, trattenuti lì solo dalla forza forte.

La nuova scoperta potrebbe portare a nuovi strumenti utili per sondare le proprietà di base dei materiali a livello quantistico, compresi quelli derivanti dalla forza forte, oltre a esplorare nuovi tipi di dispositivi di elaborazione delle informazioni quantistiche.

Il lavoro è stato pubblicato questa settimana sulla rivista ACS Nano in un articolo degli studenti laureati del MIT Hao Tang e Guoqing Wang e dei professori del MIT Ju Li e Paola Cappellaro del Dipartimento di Scienza e Ingegneria Nucleare.

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

Ma fino a questo nuovo lavoro, nessuno pensava che questi neutroni potessero effettivamente attaccarsi ai materiali che stavano esaminando. "Il fatto che [i neutroni] possano essere intrappolati dai materiali, nessuno sembra saperlo", dice Li, che è anche professore di scienza e ingegneria dei materiali. "Siamo rimasti sorpresi che ciò esista e che nessuno ne abbia parlato prima tra gli esperti con cui ci siamo consultati", afferma.

Il motivo per cui questa nuova scoperta è così sorprendente, spiega Li, è perché i neutroni non interagiscono con le forze elettromagnetiche. Delle quattro forze fondamentali, la gravità e la forza debole "generalmente non sono importanti per i materiali", afferma. "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 a una distanza di 10 alla potenza meno 15", ovvero un quadrilionesimo di metro.

"È molto piccolo, ma è molto intenso", dice di questa forza che tiene insieme i nuclei degli atomi. "Ma la cosa interessante è che abbiamo molte migliaia di nuclei in questo punto quantico neutronico, e questo è in grado di stabilizzare questi stati legati, che hanno funzioni d'onda molto più diffuse a decine di nanometri. Questi stati legati neutronici in un punto quantico sono in realtà abbastanza simile al modello di atomo a budino di Thomson, dopo la sua scoperta dell'elettrone."

È stato così inaspettato che Li lo definisce "una soluzione piuttosto folle a un problema di meccanica quantistica". Il team definisce lo stato appena scoperto una "molecola neutronica" artificiale

Queste molecole neutroniche sono costituite da punti quantici, che sono minuscole particelle cristalline, raccolte di atomi così piccoli che le loro proprietà sono governate più dalla dimensione e dalla forma esatte delle particelle che dalla loro composizione. La scoperta e la produzione controllata di punti quantici sono state oggetto del Premio Nobel per la Chimica 2023, assegnato al professor Moungi Bawendi del MIT e ad altri due.

"Nei punti quantici convenzionali, un elettrone è intrappolato dal potenziale elettromagnetico creato da un numero macroscopico di atomi, quindi la sua funzione d'onda si estende a circa 10 nanometri, molto più grande di un tipico raggio atomico", afferma Cappellaro. "Allo stesso modo, in questi punti quantici nucleonici, un singolo neutrone può essere intrappolato da un nanocristallo, con una dimensione ben oltre la portata della forza nucleare, e mostrare energie quantizzate simili." Mentre questi salti energetici conferiscono ai punti quantici i loro colori, i punti quantici neutronici potrebbero 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", dice Li. Anche se l'effetto non era mai stato descritto prima, dice, in linea di principio non c'è motivo per cui non si sarebbe potuto scoprirlo molto prima:"Concettualmente, la gente avrebbe dovuto già pensarci", dice, ma per quanto il team è stato in grado di determinarlo, nessuno lo ha fatto.

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

Quindi, i ricercatori hanno effettuato simulazioni dettagliate di casi specifici, come l’uso di un nanocristallo di idruro di litio, un materiale studiato come possibile 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 dei nuclei rispetto a quella del neutrone. Hanno anche calcolato effetti simili per pellicole sottili e fili del materiale rispetto alle particelle.

Ma Li dice che la creazione di tali molecole neutroniche in laboratorio, che tra le altre cose richiede attrezzature specializzate per mantenere temperature nell’ordine di pochi millesimi di Kelvin sopra lo zero assoluto, è qualcosa che altri ricercatori con l’esperienza adeguata dovranno intraprendere. .

Li osserva che gli "atomi artificiali", costituiti da assemblaggi di atomi che condividono proprietà e possono comportarsi in molti modi come un singolo atomo, sono stati utilizzati per sondare molte proprietà degli atomi reali. Allo stesso modo, dice, queste molecole artificiali forniscono "un interessante sistema modello" che potrebbe essere utilizzato per studiare "interessanti problemi di meccanica quantistica a cui si può pensare", ad esempio se queste molecole neutroniche avranno una struttura a guscio che imita la struttura a guscio dell'elettrone. di atomi.

"Una possibile applicazione", dice, "è che forse possiamo controllare con precisione lo stato dei neutroni. Cambiando il modo in cui oscilla il punto quantico, forse possiamo lanciare il neutrone in una direzione particolare." I neutroni sono strumenti potenti per innescare reazioni sia di fissione che di fusione, ma finora è stato difficile controllare i singoli neutroni. 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, afferma.

"Un'idea è quella di usarlo per manipolare il neutrone, e poi il neutrone sarà in grado di influenzare altri spin nucleari", dice Li. In questo senso, dice, la molecola neutronica potrebbe fungere da mediatore tra gli spin nucleari di nuclei separati – e questo spin nucleare è una proprietà che viene già utilizzata come unità di memorizzazione di base, o qubit, nello sviluppo di sistemi informatici quantistici.

"Lo spin nucleare è come un qubit stazionario, e il neutrone è come un qubit volante", dice. "Questa è una potenziale applicazione." Aggiunge che questo è "molto diverso dall'elaborazione dell'informazione quantistica basata sull'elettromagnetismo, che è finora il paradigma dominante. Quindi, indipendentemente dal fatto che si tratti di qubit superconduttori o di ioni intrappolati o di centri vacanti di azoto, la maggior parte di questi si basa su interazioni elettromagnetiche. " In questo nuovo sistema, invece, "abbiamo neutroni e spin nucleare. Stiamo appena iniziando a esplorare cosa possiamo farci adesso."

Un'altra possibile applicazione, dice, è per una sorta di imaging, che utilizza l'analisi dell'attivazione neutra. "L'imaging dei neutroni integra l'imaging a raggi X perché i neutroni interagiscono in modo molto più forte con gli elementi leggeri", afferma Li. 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. "Gran parte dell'imaging chimico e della spettroscopia non ci dicono nulla sugli isotopi", mentre il metodo basato sui neutroni potrebbe farlo, dice.