«Сумасшедшее решение»: физики открыли «нейтронные молекулы»

Новое открытие может привести к созданию новых полезных инструментов для исследования основных свойств материалов на квантовом уровне, в том числе возникающих в результате сильного взаимодействия, а также к исследованию новых типов устройств квантовой обработки информации. Пишет MIT.

 Исследование об открытии «нейтронных молекул» опубликовано журнале ACS Nano. Авторы статьи — аспиранты Хао Тана и Гоцина Вана и профессоры Массачусетского технологического института Джу Ли и Паолы Каппелларо с факультета ядерной науки и техники.

Нейтроны — субатомные частицы, лишенные, в отличие от электронов и протонов, электрического заряда. Внутри ядер атомов они удерживаются исключительно сильным взаимодействием, одной из фундаментальных сил природы. Вблизи эта сила велика, но резко ослабевает уже на расстоянии более 1/10 000 размера атома. Однако ученые из США смогли сделать так, чтобы нейтроны слиплись при помощи сильного взаимодействия в квантовую точку, состоящую из десятков тысяч атомных ядер. Это открытие может стать новым инструментом для выявления базовых свойств материалов на квантовом уровне.

Нейтроны применяются для изучения свойств веществ в методе нейтронного рассеяния, когда пучок частиц фокусируют на образце и бомбардируют его, чтобы выявить внутреннюю структуру и динамику материала. Однако то, что нейтроны способны прилипать к образцам материалов, стало для ученых новостью.

«Тот факт, что материалы могут улавливать нейтроны, был никому не известен, — сказал профессор Ли Цзюй из MIT, руководитель научного проекта. — Мы были удивлены тем, что так бывает, и тем, что никто из экспертов, с которыми мы общались, об этом ранее не говорил».

Из всех четырех фундаментальных сил гравитационное и слабое взаимодействия влияют на вещество существенно меньше, чем электромагнитная сила. С которой нейтроны, как известно, не взаимодействуют ввиду отсутствия электрического заряда. Остается только сильное взаимодействие, которое работает на крайне малых дистанциях в одну квадриллионную метра. Эта сила удерживает ядра атомов.

Тем не менее, ученым удалось объединить тысячи ядер в нейтронную квантовую точку, которая смогла стабилизировать свои связанные состояния, волновые функции которых намного больше десятков нанометров. Как пишет MIT News, исследователи сравнивают эти связанные состояния в квантовой точке с моделью атома, предложенной Джозефом Томсоном в 1904 году, после открытия им электрона.

Открытие было настолько неожиданным, что Ли называет это «довольно сумасшедшим решением квантово-механической проблемы».

Напомним, что за открытие и синтез квантовых точек (наночастиц настолько крошечных, что их размер определяет их свойства) в 2023 году была присуждена Нобелевская премия по химии Мунги Г. Бавенди, Луису Э. Брусу и Алексею И. Екимову.

«В классических квантовых точках электрон удерживается электромагнитным потенциалом, созданным макроскопическим числом атомов, так что его волновая функция достигает примерно 10 нм, что намного больше обычного радиуса атома, — сказала Паола Каппелларо. — Аналогичным образом, в этих нуклонных квантовых точках отдельный нейтрон можно поймать в нанокристалл размером, намного превосходящим зону действия силы ядра, и он проявит схожие по количеству энергии».

Поскольку этот скачок энергии придает квантовым точкам их цвет, нейтронные квантовые точки можно использовать для хранения квантовой информации. Кроме того, такие «искусственные молекулы» могут служить моделью для исследования интересных проблем квантовой механики. Или подскажет ученым способ точного управления нейтронным состоянием.

_____________________________________________________

✒️Подписывайтесь на наш Telegram-канал и смотрите видео
на канале в YouTube

📩Прислать статью [email protected]
📩Написать редактору [email protected]

✒️Читайте нас на Яндекс Дзен
📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype