科学者たちが「中性子分子」を発見 | 科学ニュース

中性子は、陽子や電子とは異なり、電荷を持たない素粒子です。 これは、電磁力が放射線と物質の間の相互作用のほとんどに関与している一方で、中性子は本質的にその力の影響を受けないことを意味します。 代わりに、中性子は、自然の 4 つの基本的な力の 1 つである、強い力と呼ばれるものだけによって原子核内に保持されます。 その名前が示すように、この力は確かに非常に強力ですが、それは非常に近距離でのみであり、原子のサイズの 1/10,000 を超えると無視できるほど急速に減少します。 MITの科学者らは今回、量子ドットと呼ばれる粒子に中性子を実際に付着させることができることを発見した。量子ドットは、強い力だけでそこに保持された数万個の原子核で構成されている。

中性子は、中性子散乱と呼ばれる方法を使用して材料特性を調べるために広く使用されています。この方法では、中性子のビームがサンプルに焦点を合わせ、材料の原子から反射する中性子を検出して、材料の内部構造とダイナミクスを明らかにすることができます。

しかし、この新しい研究が行われるまで、これらの中性子が実際に探査対象の物質に付着する可能性があるとは誰も考えていませんでした。

「中性子が物質に捕捉される可能性があるという事実は、誰もそれを知らないようです」とMITのJu Li教授は言う。

「私たちは、このようなことが存在することに驚きました。そして、私たちが確認した専門家の中で、これまで誰もそのことについて話したことがなかったのです。」

「この新しい発見が驚くべき理由は、中性子が電磁力と相互作用しないからです。」

「4 つの基本的な力のうち、重力と弱い力は一般に材料にとって重要ではありません。」

「ほぼすべてのものは電磁相互作用ですが、この場合、中性子は電荷を持たないため、ここでの相互作用は強い相互作用によるものであり、それが非常に短距離であることがわかっています。」

「10 のマイナス 15 乗、つまり 1 メートルの 1 京分の範囲で効果があります。」

「とても小さいですが、とても強烈です。 しかし、興味深いのは、この中性子量子ドットに何千もの原子核があり、それが束縛状態を安定化させることができ、数十ナノメートルでより拡散した波動関数を持つことです。」

「量子ドットにおけるこれらの中性子の束縛状態は、実際には電子の発見後のトムソンの原子のプラム プディング モデルに非常に似ています。」

研究者らは、新たに発見された状態を人工の「中性子分子」と呼んでいる。

これらの中性子分子は、非常に小さい原子の集まりである小さな結晶粒子である量子ドットから作られているため、その特性は組成よりも粒子の正確なサイズと形状によって左右されます。

「従来の量子ドットでは、電子は巨視的な数の原子によって生成される電磁ポテンシャルによって捕捉されるため、その波動関数は約10nmにまで広がり、典型的な原子半径よりもはるかに大きくなります」とMITのパオラ・カペラロ教授は述べた。

「同様に、これらの核量子ドットでは、核力の範囲をはるかに超えるサイズの単一の中性子がナノ結晶に捕捉され、同様の量子化エネルギーを示すことができます。」

「これらのエネルギージャンプは量子ドットに色を与えますが、中性子量子ドットは量子情報の保存に使用できる可能性があります。」

この研究は理論計算と計算シミュレーションに基づいています。

「私たちは2つの異なる方法で分析的にそれを行い、最終的には数値的にも検証しました」とリー教授は語った。

「その影響はこれまで報告されたことはなかったが、原理的にはもっと早く発見できなかった理由はない、と彼は言う。」

「概念的には、人々はすでにそれについて考えているはずですが、チームが判断できる限り、誰も考えていませんでした。」

計算を行う際の難しさの一部は、関係するスケールが非常に異なることです。中性子が結合している量子ドットへの結合エネルギーは、中性子が少数の原子核に結合するこれまでに知られている条件の約1兆分の1です。 。

この研究では、科学者らはグリーン関数と呼ばれる分析ツールを使用して、最小半径 13 nm の量子ドットで中性子を捕捉するには強い力が十分であることを実証しました。

次に、水素の貯蔵媒体として考えられる材料である水素化リチウムナノ結晶の使用など、特定のケースについて詳細なシミュレーションを行った。

彼らは、ナノ結晶への中性子の結合エネルギーが、結晶の正確な寸法と形状、および中性子のスピン偏極と比較した原子核の核スピン偏極に依存することを示した。

彼らはまた、粒子とは対照的に、材料の薄膜やワイヤについても同様の効果を計算しました。

「しかし、そのような中性子分子を実際に実験室で作成するには、特に絶対零度より数千分の数ケルビンの範囲で温度を維持するための特殊な装置が必要であり、適切な専門知識を持つ他の研究者が取り組まなければならないことになります。 」と李教授は語った。

「特性を共有し、単一の原子のようにさまざまな方法で動作できる原子の集合体で構成される人工原子は、実際の原子の多くの特性を調べるために使用されてきました。」

「同様に、これらの人工分子は、中性子分子が原子の電子殻構造を模倣した殻構造を持つかどうかなど、考えられる興味深い量子力学的問題を研究するために使用できる興味深いモデルシステムを提供します。」

「考えられる応用の 1 つは、中性子の状態を正確に制御できるかもしれないということです。 量子ドットの振動方法を変えることで、中性子を特定の方向に発射できるかもしれません。」

「中性子は、核分裂反応と核融合反応の両方を引き起こすための強力なツールですが、これまでのところ、個々の中性子を制御することは困難でした。」

「これらの新しい束縛状態は、個々の中性子をより高度に制御できる可能性があり、新しい量子情報システムの開発に役割を果たす可能性があります。」

「1つのアイデアは、中性子を操作するためにそれを使用することです。そうすれば、中性子は他の核スピンに影響を与えることができるようになります。」

「その意味で、中性子分子は、別々の原子核の核スピン間の仲介者として機能する可能性があります。そして、この核スピンは、量子コンピューターシステムの開発において、基本的な記憶単位、つまり量子ビットとしてすでに使用されている特性です。」

「核スピンは静止した量子ビットのようなもので、中性子は飛行する量子ビットのようなものです。 それは潜在的な応用例の 1 つです。」

「これは、これまで主流のパラダイムである電磁気学に基づく量子情報処理とはまったく異なります。」

「つまり、それが超伝導量子ビットであろうと、トラップされたイオンや窒素空孔中心であろうと、これらのほとんどは電磁相互作用に基づいています。」

「代わりに、この新しいシステムでは中性子と核スピンが使用されます。 私たちは今、それを使って何ができるかを模索し始めたところです。」

「もう 1 つの可能な用途は、中性活性化分析を使用した一種のイメージングです。」

「中性子は軽元素とより強く相互作用するため、中性子イメージングは X 線イメージングを補完します。」

「材料分析にも使用でき、元素組成だけでなく、それらの元素のさまざまな同位体に関する情報も提供できます。」

「多くの化学イメージングや分光学では同位体についてはわかりませんが、中性子ベースの方法では同位体について知ることができます。」

研究結果は雑誌に掲載されました ACSナノ。

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ハオ・タン 他。 2024. ナノ結晶におけるμeV 深中性子の束縛状態。 ACSナノ 18 (12): 9063-9070; 土井: 10.1021/acsnano.3c12929