En cambio, los neutrones se mantienen unidos dentro del núcleo de un átomo únicamente por algo llamado fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Como su nombre lo indica, la fuerza es realmente muy fuerte, pero sólo a muy corta distancia:disminuye tan rápidamente que es insignificante más allá de 1/10.000 del tamaño de un átomo.

Pero ahora, investigadores del MIT han descubierto que se puede hacer que los neutrones se adhieran a partículas llamadas puntos cuánticos, que están formadas por decenas de miles de núcleos atómicos, mantenidos allí solo por la fuerza fuerte.

El nuevo hallazgo puede conducir a nuevas herramientas útiles para investigar las propiedades básicas de los materiales a nivel cuántico, incluidas las que surgen de la fuerza fuerte, así como a explorar nuevos tipos de dispositivos de procesamiento de información cuántica.

El trabajo fue publicado esta semana en la revista ACS Nano. en un artículo de los estudiantes graduados del MIT Hao Tang y Guoqing Wang y los profesores del MIT Ju Li y Paola Cappellaro del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear.

Los neutrones se utilizan ampliamente para investigar las propiedades de los materiales mediante un método llamado dispersión de neutrones, en el que un haz de neutrones se enfoca en una muestra y los neutrones que rebotan en los átomos del material se pueden detectar para revelar la estructura interna y la dinámica del material. P>

Pero hasta este nuevo trabajo, nadie pensaba que estos neutrones pudieran realmente adherirse a los materiales que estaban investigando. "El hecho de que [los neutrones] puedan quedar atrapados por los materiales, nadie parece saberlo", dice Li, quien también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales. "Nos sorprendió que esto existiera y que nadie hubiera hablado de ello antes entre los expertos con los que habíamos consultado", afirma.

La razón por la que este nuevo hallazgo es tan sorprendente, explica Li, es que los neutrones no interactúan con las fuerzas electromagnéticas. De las cuatro fuerzas fundamentales, la gravedad y la fuerza débil "en general no son importantes para los materiales", afirma. "Prácticamente todo es interacción electromagnética, pero en este caso, como el neutrón no tiene carga, la interacción aquí es a través de interacción fuerte, y sabemos que es de muy corto alcance. Es efectivo en un rango de 10 elevado a menos 15", o una billonésima parte de un metro.

"Es muy pequeña, pero muy intensa", dice sobre esta fuerza que mantiene unidos los núcleos de los átomos. "Pero lo interesante es que tenemos miles de núcleos en este punto cuántico neutrónico, y eso es capaz de estabilizar estos estados ligados, que tienen funciones de onda mucho más difusas a decenas de nanómetros. Estos estados ligados neutrónicos en un punto cuántico son en realidad bastante similar al modelo de budín de pasas del átomo de Thomson, después de su descubrimiento del electrón."

Fue tan inesperado que Li lo llama "una solución bastante loca a un problema de mecánica cuántica". El equipo llama al estado recién descubierto una "molécula neutrónica" artificial.

Estas moléculas neutrónicas están formadas por puntos cuánticos, que son diminutas partículas cristalinas, conjuntos de átomos tan pequeños que sus propiedades se rigen más por el tamaño y la forma exactos de las partículas que por su composición. El descubrimiento y la producción controlada de puntos cuánticos fueron el tema del Premio Nobel de Química 2023, otorgado al profesor del MIT Moungi Bawendi y a otras dos personas.

"En los puntos cuánticos convencionales, un electrón queda atrapado por el potencial electromagnético creado por un número macroscópico de átomos, por lo que su función de onda se extiende hasta unos 10 nanómetros, mucho más que un radio atómico típico", dice Cappellaro. "Del mismo modo, en estos puntos cuánticos nucleónicos, un solo neutrón puede quedar atrapado por un nanocristal, con un tamaño mucho más allá del rango de la fuerza nuclear, y mostrar energías cuantificadas similares". Si bien estos saltos de energía dan sus colores a los puntos cuánticos, los puntos cuánticos neutrónicos podrían usarse para almacenar información cuántica.

Este trabajo se basa en cálculos teóricos y simulaciones computacionales. "Lo hicimos analíticamente de dos maneras diferentes y, finalmente, también lo verificamos numéricamente", dice Li. Aunque el efecto nunca se había descrito antes, afirma, en principio no hay razón para que no se hubiera descubierto mucho antes:"En teoría, la gente ya debería haber pensado en ello", afirma, pero hasta donde el equipo ha podido capaz de determinarlo, nadie lo hizo.

Parte de la dificultad para hacer los cálculos son las muy diferentes escalas involucradas:la energía de unión de un neutrón a los puntos cuánticos a los que se estaban uniendo es aproximadamente una billonésima parte de la de las condiciones previamente conocidas en las que el neutrón está unido a un pequeño grupo de núcleos. . Para este trabajo, el equipo utilizó una herramienta analítica llamada función de Green para demostrar que la fuerza fuerte era suficiente para capturar neutrones con un punto cuántico con un radio mínimo de 13 nanómetros.

Luego, los investigadores hicieron simulaciones detalladas de casos específicos, como el uso de un nanocristal de hidruro de litio, material en estudio como posible medio de almacenamiento de hidrógeno. Demostraron que la energía de unión de los neutrones al nanocristal depende de las dimensiones exactas y la forma del cristal, así como de las polarizaciones del espín nuclear de los núcleos en comparación con la del neutrón. También calcularon efectos similares para películas delgadas y alambres del material en lugar de partículas.

Pero Li dice que crear tales moléculas neutrónicas en el laboratorio, que entre otras cosas requiere equipo especializado para mantener temperaturas en el rango de unas pocas milésimas de Kelvin por encima del cero absoluto, es algo que otros investigadores con la experiencia adecuada tendrán que emprender. .

Li señala que los "átomos artificiales" formados por conjuntos de átomos que comparten propiedades y pueden comportarse de muchas maneras como un solo átomo se han utilizado para investigar muchas propiedades de los átomos reales. De manera similar, dice, estas moléculas artificiales proporcionan "un sistema modelo interesante" que podría usarse para estudiar "problemas de mecánica cuántica interesantes en los que uno pueda pensar", como por ejemplo si estas moléculas neutrónicas tendrán una estructura de capa que imite la estructura de capa de electrones. de átomos.

"Una posible aplicación", dice, "es que tal vez podamos controlar con precisión el estado del neutrón. Al cambiar la forma en que oscila el punto cuántico, tal vez podamos disparar el neutrón en una dirección particular". Los neutrones son herramientas poderosas para desencadenar reacciones tanto de fisión como de fusión, pero hasta ahora ha sido difícil controlar los neutrones individuales. Estos nuevos estados ligados podrían proporcionar grados mucho mayores de control sobre los neutrones individuales, lo que podría desempeñar un papel en el desarrollo de nuevos sistemas de información cuántica, afirma.

"Una idea es usarlo para manipular el neutrón, y luego el neutrón podrá afectar otros espines nucleares", dice Li. En ese sentido, dice, la molécula neutrónica podría servir como mediadora entre los espines nucleares de núcleos separados, y este espín nuclear es una propiedad que ya se está utilizando como unidad de almacenamiento básica, o qubit, en el desarrollo de sistemas informáticos cuánticos.

"El espín nuclear es como un qubit estacionario y el neutrón es como un qubit volador", dice. "Esa es una aplicación potencial". Agrega que esto es "bastante diferente del procesamiento de información cuántica basado en el electromagnetismo, que es hasta ahora el paradigma dominante. Por lo tanto, independientemente de si se trata de qubits superconductores o de iones atrapados o centros de vacantes de nitrógeno, la mayoría de ellos se basan en interacciones electromagnéticas. " En cambio, en este nuevo sistema "tenemos neutrones y espín nuclear. Estamos empezando a explorar qué podemos hacer con ellos ahora".

Otra posible aplicación, afirma, es un tipo de obtención de imágenes mediante análisis de activación neutra. "Las imágenes de neutrones complementan las imágenes de rayos X porque los neutrones interactúan mucho más fuertemente con los elementos ligeros", dice Li. También se puede utilizar para el análisis de materiales, que puede proporcionar información no sólo sobre la composición elemental sino incluso sobre los diferentes isótopos de esos elementos. "Gran parte de las imágenes químicas y la espectroscopia no nos informan sobre los isótopos", mientras que el método basado en neutrones sí podría hacerlo, afirma.