Неутроните - незаредените частици, които заедно с протоните съставляват ядрото на атома - са леко изненадващи. Те не се влияят от електромагнитната сила, която управлява повечето взаимодействия в нашия свят. Затова пък силната ядрена сила (друга фундаментална сила) с невероятно малък обсег на действие, ги държи залепени за атомното ядро. Тя е толкова близкодействаща, че влиянието ѝ се простира съвсем малко отвъд размерите на един атом.
Но сега, в неподозиран обрат във физиката, изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) са установили, че неутроните всъщност могат да се закрепват и в много по-големи структури, благодарение на също на силната ядрена сила, наречени квантови точки. Квантовите точки са като миниатюрни кристали, съставени от десетки хиляди атоми. Фактът, че един неутрон може да се придържа към такава точка, изненадва учените.
Техните открития, публикувани тази седмица в ACS Nano от екип, ръководен от професорите Дзю Ли (Ju Li) и Паола Капеларо (Paola Cappellaro), могат да доведат до разработването на нови инструменти за изучаване на фундаменталните свойства на материалите, включително тези, които се влияят от силната ядрена сила. Това изследване обещава и създаването на изцяло нови видове устройства за обработка на квантова информация.
В какво се състои голямата новина?
Ето тук нещата стават интересни. Обикновено учените използват неутрони, за да изследват материалите чрез разсейване на неутрони. Те изстрелват неутрони към дадено вещество и анализират как тези неутрони се отразяват, за да определят вътрешната структура на целевия материал.
Това откритие има дълбоки последици. То би могло да даде началото на нови техники за изследване на вътрешното устройство на материалите, особено на тези, които взаимодействат под въздействието на силната ядрена сила. Освен това то може да доведе до революция в областта на квантовата обработка на информация.
"Фактът, че [неутроните] могат да бъдат уловени от материалите, изглежда, че никой не е знаел за това", отбелязва Ли. "Бяхме изненадани, че явлението съществува и че никой досега не е говорил за това сред експертите, с които се консултирахме."
Атомният модел "сливов пудинг" на Томсън.
"Тя е с много малък обхват, но е много интензивна", разказва Ли за тази сила, която държи ядрата на атомите заедно. "Но интересното е, че имаме много хиляди ядра в тази неутронна квантова точка и тя е способна да стабилизира тези свързани състояния, които имат много по-разсеяни вълнови функции на десетки нанометри [милиардни части от метъра]. Тези неутронни свързани състояния в квантовата точка всъщност са доста близки до атомния модел "сливов пудинг" на Томсън след откриването на електрона."
Това ново състояние, което изследователите нарекоха изкуствена "неутронна молекула", предлага начин да се изследва мистериозната вътрешна работа на материалите и да се разкрият нови граници в обработката на квантова информация.
Обяснение на квантовите точки
Ключът се крие в квантовите точки, които представляват миниатюрни кристални частици. Квантовите точки притежават особени свойства, дължащи се на малкия им размер и се управляват по-скоро от квантовата механика, отколкото от химичния им състав.
Нобеловата награда за химия за 2023 г. е присъдена за революционното откритие и контролираното производство на квантови точки. Професорът от Масачузетския технологичен институт (MIT) Мънгей Бауенди (Moungi G. Bawendi) е отличен за тази работа заедно с още двама учени. (Прочетете повече: "Нобелови награди 2023: Наночастици със зависими от размера квантови ефекти")
Според Капеларо конвенционалните квантови точки работят, използвайки електромагнитния потенциал, генериран от множество атоми, за да уловят електрон. Това разширява вълновата функция на електрона далеч отвъд размера на един атом.
По подобен начин нов тип структура, наречена "неутронна квантова точка", може да улови неутрон, използвайки нанокристал. Това ограничаване, въпреки че надхвърля обичайния обхват на ядрената сила, също води до квантови енергийни нива в неутрона. Капеларо отбелязва, че докато енергийните промени в традиционните квантови точки създават цветове, неутронните квантови точки имат потенциала да съхраняват квантова информация.
Представете си квантовата точка като капан. В традиционните квантови точки капанът е електромагнитен и улавя електрони. По подобен начин в неутронната квантова точка неутронът е затворен от нанокристал, въпреки че е далеч извън малкия обхват на силната сила. Това създава квантувани енергии - подобно на цветовете, излъчвани от обикновените квантови точки.
При неутронните квантови точки обаче тези енергийни скокове могат да бъдат основа за съхраняване на квантова информация.
Приложения
Откриването на "неутронни молекули" има впечатляващи потенциални приложения.
Това откритие може да предложи безпрецедентен контрол върху отделните неутрони, което да доведе до напредък в ядрените реакции (делене и синтез) за по-безопасно и по-ефективно производство на енергия.
То може също така да доведе до революция в квантовите информационни системи, като създаде изцяло нова парадигма, в която ядрените спинове и неутрони функционират като кубити. Освен това тези молекули биха могли да подобрят техниките за анализ на материали, позволявайки разграничаване на изотопите на елементите, и биха могли също така да подобрят анализа на неутралната активация за по-чувствително и подробно изобразяване на материали, съдържащи леки елементи.
Справка: μeV-Deep Neutron Bound States in Nanocrystals; Hao Tang, Guoqing Wang, Paola Cappellaro, and Ju Li*; ACS Nano 2024, 18, 12, 9063–9070
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12929
Източник: MIT breakthrough: Neutrons cling to quantum dots in wild discovery, Interesting Engineering
Още по темата
Физика
Нобелова награда за химия е за откриването и синтеза на квантовите точки
Физика
Нобелови награди 2023: Наночастици със зависими от размера квантови ефекти
Физика
Най-прецизното досега измерване на продължителността на живота на неутрона
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари