Sciencemag.cz
Doporučujeme
Neutrony drží pohromadě uvnitř atomového jádra pouze silná interakce. Ta ovšem působí pouze na velmi krátkou vzdálenost – její intenzita klesá tak rychle, že je zanedbatelná už nad 1/10 000 velikosti atomu. Vědci z MIT však nyní zjistili, že neutrony lze donutit, aby se přichytily ke kvantovým tečkám, které se skládají z desítek tisíc atomových jader. Neutrony zde opět lepí ve struktuře výhradně silná interakce.
Neutrony se běžně využívají ke zkoumání vlastností materiálů pomocí jejich rozptylu. Svazek neutronů je při aplikaci této metody zaměřen na vzorek; detekované odražené neutrony pak korespondují s vnitřní strukturou a dynamikou materiálu. Až do této nové studie však nikoho nenapadlo, že by se tyto neutrony mohly na zkoumané materiály skutečně „přilepit“. Důvodem, proč je toto nové zjištění tak překvapivé, je to, že jinak atomy/molekuly (útvary větší než atomové jádro) drží pohromadě elektromagnetické síly, které na neutrony nepůsobí. Takže proč by se neutrony vůbec lepit měly.
„Zajímavé je, že v této neutronové kvantové tečce máme mnoho tisíc jader, která jsou schopna stabilizovat tyto vázané stavy, jež mají mnohem rozptýlenější vlnové funkce na desítkách nanometrů. Tyto neutronové vázané stavy v kvantové tečce jsou vlastně docela podobné Thomsonovu modelu atomu, který vznikl po objevu elektronu,“ uvádí spoluautor nové studie Ju Li z MITu.
„V běžných kvantových tečkách je elektron zachycen elektromagnetickým potenciálem vytvořeným makroskopickým počtem atomů, takže jeho vlnová funkce sahá do vzdálenosti přibližně 10 nanometrů, což je mnohem více než typický atomový poloměr,“ říká spoluautorka studie Paola Cappellaro. „Podobně v těchto nukleonových kvantových tečkách může být jeden neutron zachycen nanokrystalem o velikosti daleko přesahující rozsah jaderné síly a vykazovat podobné kvantované energie.“
Příslušný výzkum nemá jen čistě teoretický význam. Neutronové kvantové tečky by mohly být využity pro ukládání kvantových informací. Neutrony jsou nástrojem například pro spouštění štěpných i fúzních reakcí, ale dosud bylo obtížné jednotlivé neutrony ovládat. Nově objevené vázané stavy by mohly poskytnout mnohem větší míru kontroly nad jednotlivými neutrony, což by mohlo sehrát roli např. při vývoji nových kvantových informačních systémů. Manipulací s neutrony by šlo ovlivňovat další jaderné spiny. „Neutronová molekula“ může sloužit jako prostředník mezi jadernými spiny jednotlivých jader (a tyto jaderné spiny představují jednu z možností realizace qubitů v kvantových počítačích).
Hlavní simulace byly provedeny pro kvantové tečky na bázi LiH (hydrid lithia), materiálu, který se studuje i jako možné médium pro skladování vodíku.
Na skutečné vytvoření neutronových molekul v laboratoři, které mj. vyžaduje specializované vybavení pro udržení teplot v rozmezí jen několika tisícin stupňů nad absolutní nulou, si však teprve budeme muset počkat. Není např. dosud jasné, zda tyto „neutronové molekuly“ budou mít strukturu nějak napodobující elektronový obalu atomů.
Hao Tang et al, μeV-Deep Neutron Bound States in Nanocrystals, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c12929
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology / MIT News / Phys.org, přeloženo / zkráceno
