中子分子——在MIT的突破性发现中中子与量子点相遇

诸平

Fig. 1 MIT researchers have discovered that neutrons can bind to quantum dots using the strong force, a finding that opens new possibilities for probing material properties at the quantum level and advancing quantum information processing. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 MIT researchers discovered “neutronic” molecules, in which neutrons can be made to cling to quantum dots, held just by the strong force. The finding may lead to new tools for probing material properties at the quantum level and exploring new kinds of quantum information processing devices. Here, the red item represents a bound neutron, the sphere is a hydride nanoparticle, and the yellow field represents a neutron wavefunction. Credit: Courtesy of the researchers

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT, Cambridge, Massachusetts, United States）2024年4月16日提供的消息，中子分子——在麻省理工学院(MIT)的突破性发现中中子与量子点相遇（“Neutronic Molecules” – Neutrons Meet Quantum Dots in Groundbreaking MIT Discovery）。研究表明，中子可以与被称为量子点（Quantum dots）的纳米级原子团（nanoscale atomic clusters）结合。这一发现可能为材料特性和量子效应提供洞见。

中子是不带电荷的亚原子粒子，不像质子和电子。这意味着，虽然电磁力（electromagnetic force）是辐射和物质之间大部分相互作用的原因，但中子基本上不受这种力的影响。

通过强力的中子相互作用(Neutron Interaction Through the Strong Force)

相反，中子在原子核内的结合完全是由一种叫做强作用力的东西，它是自然界四种基本力之一。顾名思义，这种力确实很强，但只有在非常近的距离内，它才会迅速下降，以至于在原子大小的万分之一以上可以忽略不计。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被称为量子点的粒子上，量子点是由数万个原子核组成的，只靠强大的力就能固定在那里。

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，包括那些由强作用力产生的性质，以及探索新型量子信息处理设备。这项工作2024年3月15日已经在《ACS纳米》（ACS Nano）杂志网站发表——Hao Tang, Guoqing Wang, Paola Cappellaro, Ju Li. μeV-Deep Neutron Bound States in Nanocrystals. ACS Nano, 2024; 18 (12): 9063–9070. DOI: 10.1021/acsnano.3c12929. Publication Date:March 15, 2024. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c12929.论文作者是麻省理工学院的研究生唐浩（Hao Tang音译）和王国清（Guoqing Wang音译），以及麻省理工学院核科学与工程系(Department of Nuclear Science and Engineering)的李巨（Ju Li音译, Li Group）教授和保拉·卡佩拉罗（Paola Cappellaro）教授。

麻省理工学院的研究人员发现了中子分子，其中的中子可以依附在量子点上，仅仅是被强大的力所束缚。这一发现可能会导致在量子水平上探测材料特性和探索新型量子信息处理设备的新工具。图2(Fig. 2)中红色代表一个束缚中子，球体是一个氢化物纳米粒子，黄色的领域代表一个中子波函数。

材料科学应用(Applications in Material Science)

中子被广泛用于利用中子散射的方法来探测材料的性质。中子散射的方法是将一束中子集中在样品上，然后探测到从材料原子上反射回来的中子，从而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它们所探测的材料上。材料科学与工程教授李巨说:“(中子)可以被材料捕获的事实，似乎没有人知道。我们很惊讶这种情况的存在，而且在我们咨询过的专家中，以前从来没有人对此谈论过。”

新的量子力学见解(New Quantum Mechanical Insights)

李巨解释说，这个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，引力和弱力“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，但是在这种情况下，因为中子不带电荷，这里的相互作用是通过强相互作用，我们知道这是很短的距离,它的有效范围是10^-15 m。”

“它非常小，但它非常强烈，”李巨谈到这种将原子核聚集在一起的力时说。“但有趣的是，我们在这个中子量子点中有成千上万个原子核，并且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（diffuse wavefunctions）。量子点中的这些中子束缚态实际上非常类似于汤姆逊发现电子后提出的原子葡萄干布丁模型（Thomson’s plum pudding model）。”

这太出乎意料了，李巨称其为“量子力学问题的一个相当疯狂的解决方案。”研究小组称这种新发现的状态为人工“中子分子”（artificial “neutronic molecule”）。

这些中子分子是由量子点构成的，量子点是一种微小的晶体粒子，原子的集合如此之小，以至于它们的特性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（The Nobel Prize in Chemistry 2023）的主题，该奖项授予了麻省理工学院教授蒙吉·巴文迪（awarded to MIT Professor Moungi Bawendi，How Moungi Bawendi produced quantom dots）和另外两人。

保拉·卡佩拉罗说：“在传统的量子点中，电子被由宏观数量的原子产生的电磁势所捕获，因此它的波函数延伸到大约10 nm，比典型的原子半径大得多。同样，在这些核量子点中，单个中子可以被纳米晶体捕获，其尺寸远远超出核力的范围，并显示出类似的量子化能量。”当这些能量跳跃赋予量子点颜色时，中子量子点可用于存储量子信息。

理论基础与仿真(Theoretical Foundations and Simulations)

这项工作是基于理论计算和计算模拟。李巨说:“我们用两种不同的方法进行了分析，最终也用数值方法验证了它。”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。他说，“从概念上讲，人们应该已经想到了这个问题，但就研究小组所能确定的而言，没有人想到过。”

计算困难的部分原因在于所涉及的尺度非常不同:中子与量子点的结合能大约是之前已知条件下中子与一小群核子的结合能的万亿分之一。为了完成这项工作，研究小组利用格林函数（Green’s function）分析工具，证明了用最小半径为13 nm的量子点，强作用力足以捕获中子。

然后，研究人员对具体情况进行了详细的模拟，例如使用氢化锂纳米晶体(lithium hydride nanocrystal)，这是一种被研究为可能的氢储存介质的材料。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，以及原子核与中子相比的自旋极化。他们还计算出了与颗粒相反的薄膜和材料线的类似效果。

潜在的量子应用和挑战(Potential Quantum Applications and Challenges)

但李巨说，在实验室中真正创造出这样的中子分子，需要专门的设备来保持绝对零度以上的温度在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。

李巨指出，由具有相同性质的原子组合而成的“人造原子”（“artificial atoms”）可以在许多方面表现得像单个原子，这种人造原子已经被用来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”（“an interesting model system”），可以用来研究人们可以想到的有趣的量子力学问题，比如这些中子分子是否会有一个模仿原子电子壳层结构的壳层结构。

他说：“一个可能的应用，也许我们可以精确地控制中子状态。通过改变量子点振荡的方式，也许我们可以把中子射向一个特定的方向。”中子是触发核裂变和核聚变反应的强大工具，但到目前为止，控制单个中子一直很困难。而这些新的束缚态可以提供对单个中子更大程度的控制，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，”李巨说。从这个意义上说，他说，中子分子可以作为独立原子核的核自旋之间的媒介，这种核自旋是一种特性，已经被用作开发量子计算机系统的基本存储单元或量子位（qubit）。“核自旋就像一个静止的量子位，而中子就像一个飞行的量子位。这是一种潜在的应用。”他补充说，“这与基于电磁的量子信息处理有很大的不同，后者是目前占主导地位的范式。所以，不管它是超导量子比特，还是被捕获的离子或氮空位中心，它们中的大多数都是基于电磁相互作用。”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一种成像，使用中性活化分析。李巨说，“中子成像是X射线成像的补充，因为中子与轻元素的相互作用更强。”它还可以用于材料分析，不仅可以提供元素组成的信息，甚至可以提供这些元素的不同同位素的信息。他说，“许多化学成像和光谱学并不能告诉我们同位素的存在，而基于中子的方法可以做到这一点。”

这项研究得到了美国海军研究办公室（U.S. Office of Naval Research）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The strong nuclear force gives rise to the widely studied neutron scattering states and MeV-energy nuclear bound states. Whether this same interaction could lead to low-energy bound states for a neutron in the nuclear force field of a cluster of nuclei is an open question. Here, we computationally demonstrate the existence of μeV-level neutronic bound states originating from the strong interactions in nanocrystals with a spatial extent of tens of nanometers. These negative-energy neutron wave functions depend on the size, dimension, and nuclear spin polarization of the nanoparticles, providing engineering degrees of freedom for the artificial neutronic “molecule”.