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(noticias nanowerk) Los neutrones son partículas subatómicas que, a diferencia de los protones y los electrones, no tienen carga eléctrica. Esto significa que, si bien la fuerza electromagnética es responsable de la mayoría de las interacciones entre la radiación y los materiales, los neutrones son esencialmente inmunes a esta fuerza.
En cambio, los neutrones del núcleo atómico se mantienen unidos exclusivamente gracias a la llamada fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Como sugiere el nombre, la fuerza es realmente muy fuerte, pero sólo a una distancia muy corta: decae 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 formados por decenas de miles de núcleos atómicos y se mantienen allí sólo por la fuerza fuerte.
Los nuevos hallazgos podrían conducir a nuevas herramientas útiles para estudiar las propiedades fundamentales 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 está reportado en la revista. ACS Nano (“μeV-Deep Neutron Bound States in Nanocrystals”), 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 a menudo para estudiar 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.
Pero hasta este nuevo trabajo, nadie habría pensado que estos neutrones podrían realmente adherirse a los materiales que estaban estudiando. «El hecho de que [the neutrons] «Pueden ser capturados por los materiales, nadie parece saberlo», dice Li, quien también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales. “Nos sorprendió que existiera algo así y que ninguno de los expertos a los que preguntamos hubiera hablado de ello”, afirma.
La razón por la que este nuevo descubrimiento 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 «no son importantes para los materiales en general», afirma. “Prácticamente todo es interacción electromagnética, pero como en este caso el neutrón no tiene carga, la interacción aquí se produce a través de interacción fuerte, y sabemos que es de muy corto alcance. Es efectivo en un rango de 10 a menos 15 potencias o una billonésima parte de un metro.
“Es muy pequeña, pero muy intensa”, dice sobre esta fuerza que mantiene unidos los núcleos atómicos. “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 de enlace neutrónico en un punto cuántico en realidad se parecen al modelo de budín de pasas de un 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 están determinadas por el tamaño y la forma precisos de las partículas más que por su composición. El descubrimiento y la producción controlada de puntos cuánticos fue el tema del Premio Nobel de Química de 2023, otorgado al profesor del MIT Moungi Bawendi y a otras dos personas.
«En los puntos cuánticos tradicionales, un electrón es capturado por el potencial electromagnético de 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. «De manera similar, en estos puntos cuánticos nucleónicos, un solo neutrón puede ser capturado por un nanocristal con un tamaño mucho más allá del rango de fuerza nuclear y tener energías cuantificadas similares». Si bien estos saltos de energía dan sus colores a los puntos cuánticos, los puntos cuánticos neutrónicos podrían Se puede utilizar para el almacenamiento de información cuántica.
Este trabajo se basa en cálculos teóricos y simulaciones por ordenador. «Lo hicimos analíticamente de dos maneras diferentes y finalmente lo verificamos numéricamente», afirma Li. Aunque el efecto nunca se había descrito antes, en principio no hay ninguna razón por la que no se hubiera podido descubrir mucho antes: «Conceptualmente, deberíamos haberlo hecho». Lo pensé”, dice, pero en lo que respecta al equipo, nadie podía saberlo.
Parte de la dificultad para realizar los cálculos reside en las muy diferentes escalas: la energía de unión de un neutrón a los puntos cuánticos a los que estaba unido es aproximadamente una billonésima parte de las condiciones previamente conocidas bajo las cuales el neutrón se unía a un pequeño grupo de núcleos es. Para este trabajo, el equipo utilizó una herramienta analítica llamada función de Green para demostrar que la fuerza fuerte era suficiente para capturar neutrones utilizando un punto cuántico con un radio mínimo de 13 nanómetros.
A continuación, los investigadores realizaron simulaciones detalladas de casos específicos, como el uso de un nanocristal de hidruro de litio, un material que se está investigando como posible medio de almacenamiento de hidrógeno. Demostraron que la energía de unión de los neutrones al nanocristal depende de las dimensiones y la forma precisas del cristal, así como de las polarizaciones del espín nuclear de los núcleos en comparación con las del neutrón. También calcularon efectos similares para películas delgadas y alambres del material, a diferencia de las partículas.
Pero Li dice que la producción real de tales moléculas neutrónicas en el laboratorio, que requiere, entre otras cosas, equipo especial 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 habrá que abordar.
Li señala que los «átomos artificiales», que consisten en colecciones de átomos que comparten propiedades comunes y pueden comportarse de muchas maneras como un solo átomo, se han utilizado para estudiar muchas propiedades de los átomos reales. De manera similar, dice, estas moléculas artificiales representan «un sistema modelo interesante» que podría usarse para estudiar «problemas de mecánica cuántica interesantes en los que pensar», como por ejemplo si estas moléculas neutrónicas tendrán una estructura de capa que imite la estructura de capa de electrones de los átomos. .
«Una posible aplicación», dice, «tal vez sea que podamos controlar con precisión el estado del neutrón». Al cambiar la forma en que oscila el punto cuántico, podríamos disparar el neutrón en una dirección determinada». Los neutrones son herramientas poderosas para desencadenar reacciones de fisión y fusión, por ejemplo. Sin embargo, hasta ahora ha sido difícil controlar los neutrones individuales. Estos nuevos estados ligados podrían permitir un grado mucho mayor 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 utilizarla para manipular el neutrón, y así el neutrón puede influir en otros espines nucleares», dice Li. En este sentido, la molécula neutrónica podría servir como intermediaria entre los espines nucleares de los núcleos individuales y Este espín nuclear es una propiedad que ya se utiliza como unidad de memoria básica, o qubit, en el desarrollo de sistemas de computación cuántica.
«El espín nuclear es como un qubit estacionario y el neutrón es como un qubit volador», dice. «Ésta es una posible aplicación». Y añade que es «muy diferente del procesamiento de información cuántica basado en el electromagnetismo, que ha sido el paradigma dominante hasta ahora». Independientemente de si se trata de qubits superconductores o de iones atrapados o de centros de vacantes de nitrógeno, la mayoría de se basan en interacciones electromagnéticas”. En cambio, “en este nuevo sistema tenemos neutrones y espín nuclear. Recién estamos comenzando a explorar qué podemos hacer con él”.
Otra posible aplicación, afirma, es algún 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», afirma Li. También se pueden utilizar para el análisis de materiales, que pueden 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.
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