חוקרי MIT גילו שניטרונים יכולים להיקשר לנקודות קוונטיות באמצעות הכוח החזק, ממצא שפותח אפשרויות חדשות לבדיקת תכונות החומר ברמה הקוונטית ולקידום עיבוד המידע הקוונטי. קרדיט: twoday.co.il.com
מחקר מראה שניטרונים יכולים להיקשר אליהם בקנה מידה ננו צבירים אטומיים המכונים נקודות קוונטיות. הממצא עשוי לספק תובנות לגבי תכונות החומר וההשפעות הקוונטיות.
ניוטרונים הם חלקיקים תת-אטומיים שאין להם מטען חשמלי, בניגוד לפרוטונים ואלקטרונים. זה אומר שבעוד שהכוח האלקטרומגנטי אחראי לרוב האינטראקציות בין קרינה לחומרים, נויטרונים חסינים בעצם לכוח זה.
אינטראקציה של ניוטרונים באמצעות הכוח החזק
במקום זאת, נויטרונים מוחזקים יחד בתוך א אָטוֹםהגרעין של רק על ידי משהו שנקרא הכוח החזק, אחד מארבעת כוחות היסוד של הטבע. כפי ששמו מרמז, הכוח הוא אכן חזק מאוד, אבל רק בטווח קרוב מאוד – הוא יורד כל כך מהר עד שהוא זניח מעבר ל-1/10,000 מגודלו של אטום. אבל עכשיו, חוקרים ב MIT גילו שלמעשה ניתן לגרום לנייטרונים להיצמד לחלקיקים הנקראים נקודות קוונטיות, המורכבות מעשרות אלפי גרעיני אטום, המוחזקים שם רק על ידי הכוח החזק.
הממצא החדש עשוי להוביל לכלים חדשים ושימושיים לבדיקת התכונות הבסיסיות של חומרים ברמה הקוונטית, כולל אלו הנובעות מהכוח החזק, כמו גם לחקר סוגים חדשים של מכשירים לעיבוד מידע קוונטי. העבודה מדווחת לאחרונה בכתב העת ACS Nanoבמאמר של סטודנטים לתארים מתקדמים ב-MIT האו טאנג ו-Guoqing Wang והפרופסורים של MIT Ju Li ו-Paola Cappellaro מהמחלקה למדע והנדסה גרעינית.
חוקרי MIT גילו מולקולות "נויטרוניות", שבהן ניתן לגרום לנייטרונים להיצמד לנקודות קוונטיות, המוחזקות רק על ידי הכוח החזק. הממצא עשוי להוביל לכלים חדשים לבדיקת תכונות החומר ברמה הקוונטית ולחקר סוגים חדשים של מכשירים לעיבוד מידע קוונטי. כאן, הפריט האדום מייצג נויטרון קשור, הכדור הוא ננו-חלקיק הידריד, והשדה הצהוב מייצג פונקציית גל נויטרונים. קרדיט: באדיבות החוקרים
יישומים במדעי החומר
ניוטרונים נמצאים בשימוש נרחב לבדיקת תכונות החומר באמצעות שיטה הנקראת פיזור נויטרונים, שבה קרן נויטרונים ממוקדת בדגימה, וניתן לזהות את הנייטרונים שמקפיצים את האטומים של החומר כדי לחשוף את המבנה הפנימי והדינמיקה של החומר.
אבל עד לעבודה החדשה הזו, אף אחד לא חשב שהנייטרונים האלה עשויים להיצמד לחומרים שהם חיטו. "העובדה ש(הנייטרונים) יכולים להילכד על ידי החומרים, נראה שאף אחד לא יודע על זה", אומר לי, שהוא גם פרופסור למדעי החומרים והנדסת החומרים. "הופתענו שזה קיים, ושאף אחד לא דיבר על זה קודם, בין המומחים שבדקנו איתם", הוא אומר.
תובנות מכניות קוונטיות חדשות
הסיבה שהממצא החדש הזה כל כך מפתיע, מסביר לי, היא כי נויטרונים אינם מקיימים אינטראקציה עם כוחות אלקטרומגנטיים. מבין ארבעת הכוחות הבסיסיים, כוח המשיכה והכוח החלש "בדרך כלל אינם חשובים לחומרים", הוא אומר. "כמעט הכל הוא אינטראקציה אלקטרומגנטית, אבל במקרה הזה, מכיוון שלנייטרון אין מטען, האינטראקציה כאן היא דרך האינטראקציה החזקה, ואנחנו יודעים שזה מאוד קצר טווח. הוא יעיל בטווח של 10 עד מינוס 15 הספק", או רבעית המטר.
"זה מאוד קטן, אבל זה מאוד אינטנסיבי", הוא אומר על הכוח הזה שמחזיק את גרעיני האטומים יחד. "אבל מה שמעניין הוא שיש לנו אלפים רבים של גרעינים בנקודה הקוונטית הנייטרונית הזו, וזה מסוגל לייצב את המצבים הקשורים האלה, שיש להם פונקציות גל מפוזרות הרבה יותר בעשרות ננומטרים (מיליארדית המטר). המצבים הקשורים הנייטרוניים הללו בנקודה קוונטית למעשה דומים למדי למודל פודינג השזיפים של תומסון של אטום, לאחר גילוי האלקטרון שלו."
זה היה כל כך לא צפוי, לי קורא לזה "פתרון די מטורף לבעיה מכנית קוונטית". הצוות מכנה את המצב החדש שהתגלה "מולקולה ניוטרונית" מלאכותית.
מולקולות נויטרוניות אלו עשויות מנקודות קוונטיות, שהן חלקיקים גבישיים זעירים, אוספים של אטומים כל כך קטנים עד שתכונותיהם נשלטות יותר על ידי הגודל והצורה המדויקים של החלקיקים מאשר על ידי הרכבם. הגילוי והייצור המבוקר של נקודות קוונטיות היו הנושא של פרס נובל לכימיה לשנת 2023, שהוענק לפרופסור מוני בוואנדי של MIT ולשניים נוספים.
"בנקודות קוונטיות קונבנציונליות, אלקטרון נלכד על ידי הפוטנציאל האלקטרומגנטי שנוצר על ידי מספר מקרוסקופי של אטומים, ולכן פונקציית הגל שלו משתרעת לכ-10 ננומטר, הרבה יותר גדול מרדיוס אטומי טיפוסי", אומר קפלרו. "באופן דומה, בנקודות הקוונטיות הנוקלאוניות הללו, נויטרון בודד יכול להיכלא על ידי ננו-גביש, בגודל הרבה מעבר לטווח הכוח הגרעיני, ולהציג אנרגיות קוונטיות דומות." בעוד שקפיצות האנרגיה הללו מעניקות לנקודות קוונטיות את צבען, ניתן להשתמש בנקודות הקוונטיות הנייטרוניות לאחסון מידע קוונטי.
יסודות תיאורטיים וסימולציות
עבודה זו מבוססת על חישובים תיאורטיים וסימולציות חישוביות. "עשינו את זה בצורה אנליטית בשתי דרכים שונות, ובסופו של דבר גם אימתנו את זה מספרית", אומר לי. למרות שהאפקט מעולם לא תואר קודם לכן, הוא אומר, באופן עקרוני אין סיבה שלא ניתן היה למצוא אותו הרבה יותר מוקדם: "מבחינה קונספטואלית, אנשים כבר היו צריכים לחשוב על זה", הוא אומר, אבל מבחינת הצוות כבר יכול לקבוע, אף אחד לא עשה זאת.
חלק מהקושי בביצוע החישובים הוא הסולמות השונים מאוד המעורבים: אנרגיית הקישור של נויטרון לנקודות הקוונטיות שאליהן התחברו היא בערך טריליון מהמצבים הידועים בעבר שבהם הנייטרון קשור לקבוצה קטנה של נוקלונים. . לצורך עבודה זו, הצוות השתמש בכלי אנליטי בשם הפונקציה של גרין כדי להדגים שהכוח החזק היה מספיק כדי ללכוד נויטרונים עם נקודה קוונטית ברדיוס מינימלי של 13 ננומטר.
לאחר מכן, החוקרים ביצעו סימולציות מפורטות של מקרים ספציפיים, כגון שימוש בננו-גביש ליתיום הידריד, חומר שנחקר כאמצעי אחסון אפשרי למימן. הם הראו כי אנרגיית הקישור של הנייטרונים לננו-גביש תלויה בממדים ובצורה המדויקים של הגביש, כמו גם בקיטוב הספין הגרעיני של הגרעינים בהשוואה לזה של הנייטרון. הם גם חישבו אפקטים דומים עבור סרטים דקים וחוטים של החומר בניגוד לחלקיקים.
יישומים ואתגרים קוונטיים פוטנציאליים
אבל לי אומר שבעצם יצירת מולקולות נויטרוניות כאלה במעבדה, מה שבין היתר דורש ציוד מיוחד כדי לשמור על טמפרטורות בטווח של כמה אלפיות קלווין מעל אפס מוחלטהוא משהו שחוקרים אחרים בעלי המומחיות המתאימה יצטרכו לבצע.
לי מציין ש"אטומים מלאכותיים" המורכבים ממכלולים של אטומים החולקים תכונות ויכולים להתנהג בדרכים רבות כמו אטום בודד שימשו כדי לחקור תכונות רבות של אטומים אמיתיים. באופן דומה, הוא אומר, מולקולות מלאכותיות אלו מספקות "מערכת מודלים מעניינת" שעשוי לשמש לחקר "בעיות מכניות קוונטיות מעניינות שאפשר לחשוב עליהן", כגון האם למולקולות הנייטרוניות הללו יהיה מבנה מעטפת המחקה את מבנה מעטפת האלקטרונים של אטומים.
"יישום אפשרי אחד," הוא אומר, "הוא אולי נוכל לשלוט במדויק על מצב הנייטרונים. על ידי שינוי האופן שבו הנקודה הקוונטית מתנודדת, אולי נוכל לירות את הנייטרון לכיוון מסוים." ניוטרונים הם כלים רבי עוצמה לדברים כמו הפעלת תגובות ביקוע והיתוך, אך עד כה היה קשה לשלוט בניוטרונים בודדים. מצבים קשורים חדשים אלה יכולים לספק דרגות הרבה יותר גדולות של שליטה על נויטרונים בודדים, שיכולים למלא תפקיד בפיתוח מערכות מידע קוונטיות חדשות, הוא אומר.
"רעיון אחד הוא להשתמש בו כדי לתפעל את הנייטרון, ואז הנייטרון יוכל להשפיע על ספינים גרעיניים אחרים", אומר לי. במובן זה, הוא אומר, המולקולה הנייטרונית יכולה לשמש כמתווכת בין הספינים הגרעיניים של גרעינים נפרדים – והספין הגרעיני הזה הוא תכונה שכבר משמשת כיחידת אחסון בסיסית, או קיוביט, בפיתוח מערכות מחשב קוונטיות.
"הספין הגרעיני הוא כמו קיוביט נייח, והנייטרון הוא כמו קיוביט מעופף", הוא אומר. "זה יישום פוטנציאלי אחד." הוא מוסיף כי זה "שונה לגמרי מעיבוד מידע קוונטי מבוסס אלקטרומגנטיקה, שהיא עד כה הפרדיגמה השלטת. אז, לא משנה אם זה קיוביטים מוליכים או זה יונים כלואים או מרכזי חנקן פנויים, רובם מבוססים על אינטראקציות אלקטרומגנטיות". במערכת החדשה הזו, במקום זאת, "יש לנו נויטרונים וספין גרעיני. אנחנו רק מתחילים לחקור מה אנחנו יכולים לעשות עם זה עכשיו".
יישום אפשרי נוסף, הוא אומר, הוא עבור סוג של הדמיה, באמצעות ניתוח הפעלה ניטרלי. "הדמיית נייטרונים משלימה את הדמיית רנטגן מכיוון שלנייטרונים יש אינטראקציה הרבה יותר חזקה עם אלמנטים קלים", אומר לי. זה יכול לשמש גם לניתוח חומרים, שיכול לספק מידע לא רק על הרכב היסודות אלא אפילו על האיזוטופים השונים של אותם יסודות. "הרבה מההדמיה הכימית והספקטרוסקופיה לא מספרות לנו על האיזוטופים", בעוד השיטה המבוססת על נויטרונים יכולה לעשות זאת, הוא אומר.
המחקר נתמך על ידי המשרד האמריקאי לחקר הצי.
