麻省理工学院研究人员发现“中子分子”

中子是没有电荷的亚原子粒子，与质子和电子不同。这意味着，虽然电磁力负责辐射和材料之间的大部分相互作用，但中子基本上不受该力的影响。

相反，中子在原子核内仅通过一种称为强力的东西结合在一起，强力是自然界的四种基本力之一。顾名思义，这种力确实非常强大，但仅限于非常近的距离——它下降得如此之快，以至于超过原子大小的 1/10,000 可以忽略不计。但现在，麻省理工学院的研究人员发现，中子实际上可以附着在称为量子点的粒子上，量子点由数以万计的原子核组成，仅靠强大的力就固定在那里。

这一新发现可能会为在量子水平上探测材料的基本性质（包括由强力产生的材料）以及探索新型量子信息处理设备提供有用的新工具。这项工作本周发表在 ACS Nano杂志上，由麻省理工学院研究生Hao Tang和Guoqing Wang以及麻省理工学院核科学与工程系教授Ju Li和Paola Cappellaro撰写。

中子被广泛用于使用一种称为中子散射的方法探测材料特性，其中中子束聚焦在样品上，并且可以检测到从材料原子上反弹的中子，以揭示材料的内部结构和动力学。

但在这项新工作之前，没有人认为这些中子实际上会粘附在它们正在探测的材料上。“[中子]可以被材料捕获的事实，似乎没有人知道这一点，”李说，他也是材料科学与工程教授。“我们很惊讶它的存在，而且在我们核实过的专家中，以前没有人谈论过它，”他说。

李解释说，这一新发现之所以如此令人惊讶，是因为中子不与电磁力相互作用。他说，在四种基本力中，重力和弱力“通常对材料来说并不重要”。“几乎所有的东西都是电磁相互作用，但在这种情况下，由于中子没有电荷，这里的相互作用是通过强相互作用进行的，我们知道这是非常短距离的。它在 10 到负 15 次方的范围内有效，“或一米的千万亿分之一。

“它非常小，但非常强烈，”他谈到这种将原子核结合在一起的力。“但有趣的是，我们在这个中子量子点中有成千上万的原子核，它能够稳定这些束缚态，这些束缚态在几十纳米（十亿分之一米）处具有更多的扩散波函数。 量子点中的这些中子束缚态实际上非常类似于汤姆森发现电子后的原子李子布丁模型。

这太出乎意料了，李称其为“量子力学问题的一个非常疯狂的解决方案”。研究小组将新发现的状态称为人造“中子分子”。

这些中子分子由量子点组成，量子点是微小的结晶粒子，原子的集合如此之小，以至于它们的性质更多地取决于粒子的确切大小和形状，而不是它们的组成。量子点的发现和受控生产是 2023 年诺贝尔化学奖的主题，授予麻省理工学院教授 Moungi Bawendi 和另外两人。

“在传统的量子点中，电子被宏观原子产生的电磁势捕获，因此其波函数扩展到约10纳米，远大于典型的原子半径，”Cappellaro说。“同样，在这些核子量子点中，单个中子可以被纳米晶体捕获，其大小远远超出了核力的范围，并显示出类似的量子化能量。虽然这些能量跳跃赋予了量子点颜色，但中子量子点可用于存储量子信息。

这项工作基于理论计算和计算模拟。“我们以两种不同的方式进行了分析，最终也进行了数字验证，”李说。他说，虽然这种效应以前从未被描述过，但原则上没有理由不能更早地发现它：“从概念上讲，人们应该已经考虑过了，”他说，但就团队能够确定而言，没有人这样做。

进行计算的部分困难在于所涉及的非常不同的尺度：中子与它们所附着的量子点的结合能大约是先前已知的中子与一小群原子核结合的条件的万亿分之一。在这项工作中，该团队使用了一种称为格林函数的分析工具来证明，强大的力足以捕获最小半径为13纳米的量子点的中子。

然后，研究人员对特定情况进行了详细的模拟，例如使用氢化锂纳米晶体，这是一种正在研究作为氢气储存介质的材料。他们表明，中子与纳米晶体的结合能取决于晶体的确切尺寸和形状，以及与中子相比原子核的核自旋极化。他们还计算了材料的薄膜和导线与颗粒的类似效果。

但李说，实际上在实验室中制造这样的中子分子，这需要专门的设备来将温度保持在绝对零度以上千分之几开尔文的范围内，这是其他具有适当专业知识的研究人员必须承担的事情。

Li指出，“人造原子”由具有共同性质的原子组合组成，并且可以在许多方面表现得像单个原子一样，已被用于探测真实原子的许多性质。同样，他说，这些人造分子提供了“一个有趣的模型系统”，可用于研究“人们可以思考的有趣的量子力学问题”，例如这些中子分子是否具有模仿原子电子壳结构的壳结构。

“一种可能的应用，”他说，“也许我们可以精确地控制中子态。通过改变量子点振荡的方式，也许我们可以将中子射向特定方向。中子是触发裂变和聚变反应的有力工具，但到目前为止，很难控制单个中子。他说，这些新的束缚态可以对单个中子提供更大程度的控制，这可能在新的量子信息系统的发展中发挥作用。

“一个想法是用它来操纵中子，然后中子将能够影响其他核自旋，”李说。他说，从这个意义上说，中子分子可以作为独立原子核的核自旋之间的中介，而这种核自旋是一种特性，在开发量子计算机系统时已经被用作基本存储单元或量子比特。

“核自旋就像一个静止的量子比特，而中子就像一个飞行的量子比特，”他说。“这是一个潜在的应用。”他补充说，这“与基于电磁学的量子信息处理完全不同，后者是迄今为止占主导地位的范式。因此，无论是超导量子比特还是捕获离子或氮空位中心，其中大多数都是基于电磁相互作用的。相反，在这个新系统中，“我们有中子和核自旋。我们现在才刚刚开始探索我们能用它做什么。

他说，另一种可能的应用是使用中性活化分析进行成像。“中子成像是对X射线成像的补充，因为中子与轻元素的相互作用要强得多，”李说。它还可以用于材料分析，不仅可以提供有关元素组成的信息，甚至可以提供有关这些元素的不同同位素的信息。“很多化学成像和光谱学并不能告诉我们同位素，”而基于中子的方法可以做到这一点，他说。

该研究得到了美国海军研究办公室的支持。