Neutrons are subatomic particles that have no electric charge, unlike protons and electrons. That means that while the electromagnetic force is responsible for most of the interactions between radiation and materials, neutrons are essentially immune to th
与质子和电子不同，中子是没有电荷的亚原子粒子。这意味着，虽然电磁力是辐射和材料之间大多数相互作用的原因，但中子基本上不受电磁力的影响
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，强力是自然界四种基本力之一。顾名思义，这种力量确实非常强大，但只是在非常近的范围内；它下降得如此之快，以至于超过原子大小的1/10000时可以忽略不计
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，量子点由数万个原子核组成，仅通过强大的力就被固定在那里
这一新发现可能会带来有用的新工具，用于在量子水平上探测材料的基本性质，包括由强力产生的性质，以及探索新型量子信息处理设备
这项工作本周发表在《ACS Nano》杂志上，由麻省理工学院研究生唐浩和王国清以及麻省理工大学核科学与工程系教授李菊和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，在这种方法中，中子束聚焦在样品上，可以检测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可能真的会粘在他们探测的材料上。“中子会被材料捕获的事实，似乎没有人知道，”李说，他也是材料科学与工程教授
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的。它在10到-15次方的范围内有效，”或1万亿分之一米“它很小，但非常强烈，”他谈到将原子核固定在一起的力时说。“但有趣的是，我们在这个中性量子点中有成千上万个原子核，它能够稳定这些束缚态，这些束缚态在几十纳米处具有更多的散射波函数。量子点中的这些中性束缚态实际上非常类似于汤姆森发现电子后的原子梅花布丁模型。”与其说是由颗粒的组成决定，不如说是由其确切的尺寸和形状决定。量子点的发现和受控生产是2023年诺贝尔化学奖的主题，该奖授予麻省理工学院教授Moungi Bawendi和其他两人
Cappellaro说：“在传统的量子点中，电子被宏观数量的原子产生的电磁势捕获，因此其波函数延伸到大约10纳米，远大于典型的原子半径。”。“同样，在这些核子量子点中，单个中子可以被纳米晶体捕获，其尺寸远远超过核力的范围，并显示出类似的量子化能量。”虽然这些能量跳跃赋予量子点颜色，但中子量子点可以用于存储量子信息这项工作基于理论计算和计算模拟。李说：“我们用两种不同的方法进行了分析，最终也用数字进行了验证。”。他说，尽管这种影响以前从未被描述过，但原则上没有理由不能很快发现：“从概念上讲，人们应该已经考虑过了，”他说，但就团队所能确定的而言，没有人考虑过
进行计算的部分困难在于所涉及的尺度非常不同：中子与它们所连接的量子点的结合能大约是先前已知的中子与一小群核结合的条件的数万亿分之一。在这项工作中，该团队使用了一种名为格林函数的分析工具来证明强大的力足以用最小半径为13纳米的量子点捕获中子
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，这种材料正在被研究作为氢的可能存储介质。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。他们还计算了这种材料的薄膜和金属丝相对于粒子的类似效果
但李表示，在实验室中实际制造这种中性分子，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
李