Estudo mostra que nêutrons podem se ligar a pontos quânticos

Os nêutrons são partículas subatômicas que não possuem carga elétrica, ao contrário dos prótons e dos elétrons. Isso significa que embora a força eletromagnética seja responsável pela maioria das interações entre a radiação e os materiais, os nêutrons são essencialmente imunes a essa força.

Em vez disso, os nêutrons são mantidos juntos dentro do núcleo de um átomo apenas por algo chamado força forte, uma das quatro forças fundamentais da natureza. Como o próprio nome indica, a força é de facto muito forte, mas apenas a uma distância muito curta – diminui tão rapidamente que é insignificante para além de 1/10.000 do tamanho de um átomo.

Mas agora, investigadores do MIT descobriram que é possível fazer com que os neutrões se agarrem a partículas chamadas pontos quânticos, que são constituídos por dezenas de milhares de núcleos atómicos, mantidos ali apenas pela força forte.

A nova descoberta pode levar a novas ferramentas úteis para sondar as propriedades básicas dos materiais no nível quântico, incluindo aquelas decorrentes da força forte, bem como explorar novos tipos de dispositivos de processamento de informação quântica.

O trabalho foi publicado esta semana na revista ACS Nano em um artigo dos estudantes de pós-graduação do MIT Hao Tang e Guoqing Wang e dos professores do MIT Ju Li e Paola Cappellaro do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear.

Os nêutrons são amplamente usados ​​para sondar propriedades de materiais usando um método chamado espalhamento de nêutrons, no qual um feixe de nêutrons é focado em uma amostra, e os nêutrons que ricocheteiam nos átomos do material podem ser detectados para revelar a estrutura interna e a dinâmica do material.

Mas até este novo trabalho, ninguém pensava que estes neutrões poderiam realmente aderir aos materiais que estavam a sondar. “O fato de que [the neutrons] podem ficar presos pelos materiais, ninguém parece saber disso”, diz Li, que também é professor de ciência e engenharia de materiais. “Ficamos surpresos que isso exista e que ninguém tenha falado sobre isso antes, entre os especialistas que tinha verificado”, diz ele.

A razão pela qual esta nova descoberta é tão surpreendente, explica Li, é porque os nêutrons não interagem com forças eletromagnéticas. Das quatro forças fundamentais, a gravidade e a força fraca “geralmente não são importantes para os materiais”, diz ele. “Quase tudo é interação eletromagnética, mas neste caso, como o nêutron não tem carga, a interação aqui é através da interação forte, e sabemos que é de alcance muito curto. elevado a menos 15″, ou um quatrilionésimo de metro.

“É muito pequeno, mas é muito intenso”, diz ele sobre essa força que mantém unidos os núcleos dos átomos. “Mas o que é interessante é que temos milhares de núcleos neste ponto quântico neutrônico, e isso é capaz de estabilizar esses estados ligados, que têm funções de onda muito mais difusas em dezenas de nanômetros. Esses estados ligados neutrônicos em um ponto quântico são na verdade bastante semelhante ao modelo de pudim de ameixa de um átomo de Thomson, após sua descoberta do elétron.”

Foi tão inesperado que Li chama de “uma solução muito maluca para um problema de mecânica quântica”. A equipe chama o estado recém-descoberto de “molécula neutrônica” artificial.

Estas moléculas neutrónicas são feitas de pontos quânticos, que são minúsculas partículas cristalinas, conjuntos de átomos tão pequenos que as suas propriedades são governadas mais pelo tamanho e forma exactos das partículas do que pela sua composição. A descoberta e produção controlada de pontos quânticos foram tema do Prêmio Nobel de Química de 2023, concedido ao professor do MIT Moungi Bawendi e outros dois.

“Nos pontos quânticos convencionais, um eletrão é capturado pelo potencial eletromagnético criado por um número macroscópico de átomos, pelo que a sua função de onda se estende até cerca de 10 nanómetros, muito maior do que um raio atómico típico”, diz Cappellaro. “Da mesma forma, nesses pontos quânticos nucleônicos, um único nêutron pode ser aprisionado por um nanocristal, com um tamanho muito além do alcance da força nuclear, e exibir energias quantizadas semelhantes.” Embora esses saltos de energia dêem cores aos pontos quânticos, os pontos quânticos neutrônicos poderiam ser usados ​​para armazenar informações quânticas.

Este trabalho é baseado em cálculos teóricos e simulações computacionais. “Fizemos isso analiticamente de duas maneiras diferentes e, eventualmente, também verificamos numericamente”, diz Li. Embora o efeito nunca tenha sido descrito antes, diz ele, em princípio não há razão para que não pudesse ter sido encontrado muito antes: “Conceitualmente, as pessoas já deveriam ter pensado nisso”, diz ele, mas até onde a equipe tem sido capaz de determinar, ninguém o fez.

Parte da dificuldade em fazer os cálculos são as escalas muito diferentes envolvidas: a energia de ligação de um nêutron aos pontos quânticos aos quais eles estavam ligados é cerca de um trilionésimo daquela das condições anteriormente conhecidas, onde o nêutron está ligado a um pequeno grupo de núcleos. . Para este trabalho, a equipe utilizou uma ferramenta analítica chamada função de Green para demonstrar que a força forte era suficiente para capturar nêutrons com um ponto quântico com raio mínimo de 13 nanômetros.

Em seguida, os pesquisadores fizeram simulações detalhadas de casos específicos, como o uso de um nanocristal de hidreto de lítio, material que está sendo estudado como possível meio de armazenamento de hidrogênio. Eles mostraram que a energia de ligação dos nêutrons ao nanocristal depende das dimensões exatas e da forma do cristal, bem como das polarizações do spin nuclear dos núcleos em comparação com a do nêutron. Eles também calcularam efeitos semelhantes para filmes finos e fios do material, em oposição às partículas.

Mas Li diz que a criação de tais moléculas neutrónicas em laboratório, que entre outras coisas requer equipamento especializado para manter temperaturas na faixa de alguns milésimos de Kelvin acima do zero absoluto, é algo que outros investigadores com a experiência adequada terão de empreender. .

Li observa que “átomos artificiais” compostos de conjuntos de átomos que compartilham propriedades e podem se comportar de muitas maneiras como um único átomo têm sido usados ​​para sondar muitas propriedades de átomos reais. Da mesma forma, diz ele, essas moléculas artificiais fornecem “um sistema modelo interessante” que pode ser usado para estudar “problemas interessantes de mecânica quântica sobre os quais se pode pensar”, como se essas moléculas neutrônicas terão uma estrutura de camada que imita a estrutura da camada de elétrons. de átomos.

“Uma aplicação possível”, diz ele, “é talvez possamos controlar com precisão o estado do nêutron. Ao mudar a forma como o ponto quântico oscila, talvez possamos disparar o nêutron em uma direção específica.” Os nêutrons são ferramentas poderosas para desencadear reações de fissão e fusão, mas até agora tem sido difícil controlar nêutrons individuais. Esses novos estados ligados poderiam fornecer graus de controle muito maiores sobre os nêutrons individuais, o que poderia desempenhar um papel no desenvolvimento de novos sistemas de informação quântica, diz ele.

“Uma ideia é usá-lo para manipular o nêutron, e então o nêutron será capaz de afetar outros spins nucleares”, diz Li. Nesse sentido, diz ele, a molécula neutrónica poderia servir como mediadora entre os spins nucleares de núcleos separados – e este spin nuclear é uma propriedade que já está a ser utilizada como unidade básica de armazenamento, ou qubit, no desenvolvimento de sistemas de computadores quânticos.

“O spin nuclear é como um qubit estacionário, e o nêutron é como um qubit voador”, diz ele. “Essa é uma aplicação potencial.” Ele acrescenta que isso é “muito diferente do processamento de informações quânticas baseado em eletromagnetismo, que até agora é o paradigma dominante. Portanto, independentemente de serem qubits supercondutores ou íons presos ou centros de vacância de nitrogênio, a maioria deles é baseada em interações eletromagnéticas. ” Neste novo sistema, em vez disso, “temos nêutrons e spin nuclear. Estamos apenas começando a explorar o que podemos fazer com isso agora”.

Outra aplicação possível, diz ele, é para um tipo de imagem, utilizando análise de ativação neutra. “A imagem de nêutrons complementa a imagem de raios X porque os nêutrons interagem muito mais fortemente com os elementos leves”, diz Li. Também pode ser utilizado para análise de materiais, o que pode fornecer informações não apenas sobre a composição elementar, mas até mesmo sobre os diferentes isótopos desses elementos. “Muitas imagens químicas e espectroscopia não nos dizem sobre os isótopos”, enquanto o método baseado em nêutrons poderia fazê-lo, diz ele.

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.