“Molekul Neutronik” – Neutron Bertemu Titik Kuantum dalam Penemuan Terobosan MIT

Read Also

Merintis Antibiotik Baru Untuk Memerangi MRSA

04 Apr 2024

Studi menunjukkan neutron dapat berikatan skala nano gugus atom yang dikenal sebagai titik kuantum. Temuan ini dapat memberikan wawasan tentang sifat material dan efek kuantum.

Neutron adalah partikel subatom yang tidak memiliki muatan listrik, tidak seperti proton dan elektron. Artinya, meskipun gaya elektromagnetik bertanggung jawab atas sebagian besar interaksi antara radiasi dan material, neutron pada dasarnya kebal terhadap gaya tersebut.

Interaksi Neutron Melalui Gaya Kuat

Sebaliknya, neutron terikat bersama di dalam sebuah atominti bumi semata-mata oleh sesuatu yang disebut gaya kuat, salah satu dari empat gaya fundamental alam. Sesuai dengan namanya, gaya tersebut memang sangat kuat, namun hanya pada jarak yang sangat dekat — gaya tersebut menurun dengan sangat cepat sehingga dapat diabaikan melebihi 1/10.000 ukuran atom. Tapi sekarang, para peneliti di DENGAN telah menemukan bahwa neutron sebenarnya dapat dibuat untuk menempel pada partikel yang disebut titik kuantum, yang terdiri dari puluhan ribu inti atom, yang tertahan di sana hanya oleh gaya yang kuat.

Read Also

10 negara menghentikan pendanaan UNRWA atas klaim Israel terhadap stafnya

28 Jan 2024

Temuan baru ini mungkin mengarah pada alat-alat baru yang berguna untuk menyelidiki sifat-sifat dasar material pada tingkat kuantum, termasuk sifat-sifat yang timbul dari gaya kuat, serta mengeksplorasi jenis-jenis baru perangkat pemrosesan informasi kuantum. Pekerjaan ini dilaporkan baru-baru ini di jurnal ACS Nanodalam makalah yang ditulis oleh mahasiswa pascasarjana MIT Hao Tang dan Guoqing Wang serta profesor MIT Ju Li dan Paola Cappellaro dari Departemen Sains dan Teknik Nuklir.

Peneliti MIT menemukan molekul “neutronik”, di mana neutron dapat dibuat menempel pada titik-titik kuantum, yang ditahan hanya oleh gaya yang kuat. Temuan ini dapat mengarah pada alat baru untuk menyelidiki sifat material pada tingkat kuantum dan mengeksplorasi jenis perangkat pemrosesan informasi kuantum baru. Di sini, benda berwarna merah mewakili neutron terikat, bola adalah nanopartikel hidrida, dan bidang kuning mewakili fungsi gelombang neutron. Kredit: Atas perkenan para peneliti

Aplikasi dalam Ilmu Material

Neutron banyak digunakan untuk menyelidiki sifat material menggunakan metode yang disebut hamburan neutron, di mana seberkas neutron difokuskan pada sampel, dan neutron yang memantul dari atom material dapat dideteksi untuk mengungkap struktur internal dan dinamika material.

Namun hingga penemuan baru ini, tidak ada yang mengira bahwa neutron ini mungkin benar-benar menempel pada material yang mereka selidiki. “Fakta bahwa (neutron) dapat terperangkap oleh material, sepertinya tidak ada yang mengetahuinya,” kata Li, yang juga seorang profesor ilmu dan teknik material. “Kami terkejut bahwa hal ini ada, dan tidak ada seorang pun yang pernah membicarakannya sebelumnya, di antara para ahli yang kami temui,” katanya.

Wawasan Mekanika Kuantum Baru

Alasan mengapa temuan baru ini begitu mengejutkan, jelas Li, adalah karena neutron tidak berinteraksi dengan gaya elektromagnetik. Dari empat gaya fundamental, gravitasi dan gaya lemah “umumnya tidak penting bagi material,” katanya. “Hampir semuanya merupakan interaksi elektromagnetik, namun dalam kasus ini, karena neutron tidak bermuatan, interaksi di sini terjadi melalui interaksi kuat, dan kita tahu bahwa interaksi tersebut terjadi dalam jarak yang sangat pendek. Ia efektif pada rentang kekuatan 10 hingga minus 15,” atau sepersepuluh kuadriliun meter.

“Ini sangat kecil, namun sangat kuat,” katanya tentang gaya yang menyatukan inti atom. “Tetapi yang menarik adalah kita memiliki ribuan inti atom dalam titik kuantum neutronik ini, dan mampu menstabilkan keadaan terikat ini, yang memiliki fungsi gelombang lebih tersebar pada puluhan nanometer (sepersejuta meter). Keadaan terikat neutronik dalam titik kuantum sebenarnya sangat mirip dengan model atom puding plum Thomson, setelah penemuan elektronnya.”

Hal ini sangat tidak terduga sehingga Li menyebutnya sebagai “solusi yang cukup gila untuk masalah mekanika kuantum.” Tim menyebut keadaan yang baru ditemukan ini sebagai “molekul neutronik” buatan.

Molekul neutronik ini terbuat dari titik-titik kuantum, yang merupakan partikel kristal kecil, kumpulan atom yang sangat kecil sehingga sifat-sifatnya lebih ditentukan oleh ukuran dan bentuk partikel daripada komposisinya. Penemuan dan produksi titik-titik kuantum yang terkendali adalah subjek dari Hadiah Nobel Kimia tahun 2023, yang diberikan kepada Profesor Moungi Bawendi dari MIT dan dua orang lainnya.

“Dalam titik-titik kuantum konvensional, sebuah elektron terperangkap oleh potensi elektromagnetik yang diciptakan oleh sejumlah atom makroskopis, sehingga fungsi gelombangnya meluas hingga sekitar 10 nanometer, jauh lebih besar dari jari-jari atom pada umumnya,” kata Cappellaro. “Demikian pula, dalam titik-titik kuantum nukleonik ini, satu neutron dapat terperangkap oleh kristal nano, yang ukurannya jauh melampaui jangkauan gaya nuklir, dan menampilkan energi terkuantisasi serupa.” Meskipun lompatan energi ini memberi warna pada titik-titik kuantum, titik-titik kuantum neutronik dapat digunakan untuk menyimpan informasi kuantum.

Landasan Teoritis dan Simulasi

Pekerjaan ini didasarkan pada perhitungan teoritis dan simulasi komputasi. “Kami melakukannya secara analitis dengan dua cara berbeda, dan pada akhirnya juga memverifikasinya secara numerik,” kata Li. Meskipun dampaknya belum pernah dijelaskan sebelumnya, katanya, pada prinsipnya tidak ada alasan mengapa hal ini tidak dapat ditemukan lebih awal: “Secara konseptual, orang-orang seharusnya sudah memikirkan hal ini,” katanya, namun sejauh ini tim sudah memikirkan dampaknya. dapat menentukan, tidak ada yang melakukannya.

Salah satu kesulitan dalam melakukan perhitungan ini adalah besarnya skala yang terlibat: Energi pengikatan neutron ke titik-titik kuantum tempat mereka menempel adalah sekitar sepersejuta energi dari kondisi yang diketahui sebelumnya di mana neutron terikat pada sekelompok kecil nukleon. . Untuk pekerjaan ini, tim menggunakan alat analisis yang disebut fungsi Green untuk menunjukkan bahwa gaya kuat cukup untuk menangkap neutron dengan titik kuantum dengan radius minimum 13 nanometer.

Kemudian, para peneliti melakukan simulasi rinci pada kasus-kasus tertentu, seperti penggunaan nanokristal litium hidrida, bahan yang sedang dipelajari sebagai kemungkinan media penyimpanan hidrogen. Mereka menunjukkan bahwa energi pengikatan neutron ke nanokristal bergantung pada dimensi dan bentuk kristal yang tepat, serta polarisasi putaran inti inti dibandingkan dengan neutron. Mereka juga menghitung efek serupa untuk film tipis dan kabel material dibandingkan dengan partikel.

Potensi Penerapan dan Tantangan Kuantum

Tapi Li mengatakan bahwa sebenarnya menciptakan molekul neutronik seperti itu di laboratorium, yang antara lain memerlukan peralatan khusus untuk mempertahankan suhu dalam kisaran beberapa ribu Kelvin di atas. nol mutlakadalah sesuatu yang harus dilakukan oleh peneliti lain dengan keahlian yang sesuai.

Li mencatat bahwa “atom buatan” yang terdiri dari kumpulan atom yang memiliki sifat yang sama dan dapat berperilaku dalam banyak hal seperti atom tunggal telah digunakan untuk menyelidiki banyak sifat atom nyata. Demikian pula, katanya, molekul buatan ini memberikan “sistem model menarik” yang dapat digunakan untuk mempelajari “masalah mekanika kuantum menarik yang dapat dipikirkan,” seperti apakah molekul neutronik ini akan memiliki struktur kulit yang meniru struktur kulit elektron. atom.

“Salah satu penerapan yang mungkin,” katanya, “adalah kita dapat mengontrol keadaan neutron dengan tepat. Dengan mengubah cara titik kuantum berosilasi, mungkin kita bisa menembakkan neutron ke arah tertentu.” Neutron adalah alat yang ampuh untuk memicu reaksi fisi dan fusi, namun sejauh ini sulit untuk mengendalikan neutron individu. Keadaan terikat baru ini dapat memberikan tingkat kendali yang jauh lebih besar terhadap masing-masing neutron, yang dapat berperan dalam pengembangan sistem informasi kuantum baru, katanya.

“Salah satu idenya adalah menggunakannya untuk memanipulasi neutron, dan kemudian neutron tersebut akan dapat mempengaruhi putaran nuklir lainnya,” kata Li. Dalam hal ini, katanya, molekul neutron dapat berfungsi sebagai mediator antara putaran inti dari inti yang berbeda – dan putaran nuklir ini adalah properti yang sudah digunakan sebagai unit penyimpanan dasar, atau qubit, dalam pengembangan sistem komputer kuantum.

“Putaran nuklir seperti qubit yang tidak bergerak, dan neutron seperti qubit yang terbang,” katanya. “Itu salah satu penerapan potensial.” Ia menambahkan bahwa hal ini “sangat berbeda dengan pemrosesan informasi kuantum berbasis elektromagnetik, yang sejauh ini merupakan paradigma dominan. Jadi, terlepas dari apakah itu qubit superkonduktor atau ion yang terperangkap atau pusat kekosongan nitrogen, sebagian besar didasarkan pada interaksi elektromagnetik.” Sebaliknya, dalam sistem baru ini, “kita memiliki neutron dan putaran nuklir. Kami baru mulai menjajaki apa yang bisa kami lakukan dengannya sekarang.”

Penerapan lain yang mungkin, katanya, adalah untuk semacam pencitraan, menggunakan analisis aktivasi netral. “Pencitraan neutron melengkapi pencitraan sinar-X karena neutron berinteraksi lebih kuat dengan unsur-unsur ringan,” kata Li. Hal ini juga dapat digunakan untuk analisis material, yang dapat memberikan informasi tidak hanya tentang komposisi unsur tetapi bahkan tentang perbedaan isotop dari unsur-unsur tersebut. “Banyak pencitraan kimia dan spektroskopi tidak memberi tahu kita tentang isotop,” sedangkan metode berbasis neutron dapat memberikan informasi tersebut, katanya.

Referensi: “μeV-Deep Neutron Bound States in Nanocrystals” oleh Hao Tang, Guoqing Wang, Paola Cappellaro dan Ju Li, 15 Maret 2024, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.3c12929

Penelitian ini didukung oleh Kantor Penelitian Angkatan Laut AS.