中子是沒有電荷的亞原子粒子，不像質(zhì)子和電子。這意味著，雖然電磁力對輻射和材料之間的大部分相互作用負(fù)責(zé)，中子基本上對這種作用是免疫的。

　　相反，中子被原子核中的一個(gè)叫做強(qiáng)力的東西所連接在一起，強(qiáng)力是自然的四大基本力之一。顧名思義，這種力確實(shí)非常強(qiáng)大，但只是在非常近的范圍內(nèi)--它的下降是如此之快，以至于可以忽略超過1/10000原子的大小。

　　但現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院研究人員發(fā)現(xiàn)，中子實(shí)際上可以被用來吸附被稱為量子點(diǎn)的粒子，這些粒子由成千上萬的原子核組成，僅僅是由強(qiáng)大的力所持有。

　　這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)可能會(huì)帶來有用的新工具，用于探索量子級材料的基本性質(zhì)，包括強(qiáng)力所產(chǎn)生的性質(zhì)，以及探索新型的量子信息處理設(shè)備。

　　據(jù)此，中子被廣泛用于通過中子散射方法探測材料的特性，在這種方法中，中子束集中在樣品上，而從材料原子上彈射出來的中子可以被檢測到，以揭示材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)。

　　但是在這項(xiàng)新的研究之前，沒有人認(rèn)為這些中子可能真的會(huì)粘在他們正在探測的材料上。"事實(shí)上(中子)可能會(huì)被這些材料所束縛，似乎沒有人知道這一點(diǎn)，"同時(shí)也是材料科學(xué)和工程學(xué)教授的李說。他說：“我們感到驚訝的是，在我們調(diào)查過的專家中，這種情況確實(shí)存在，而且以前沒有人談?wù)撨^這種情況。

　　李解釋說，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)之所以如此令人吃驚，是因?yàn)橹凶硬慌c電磁力相互作用。他說，在四種基本力中，重力和弱力"通常對材料不重要"。"幾乎所有的東西都是電磁相互作用，但在這種情況下，由于中子沒有電荷，所以這里的相互作用是通過強(qiáng)相互作用產(chǎn)生的，我們知道這是很短的距離。它的有效范圍是10到負(fù)15的功率，"或者是米的百萬分之一。

　　"它很小，但是非常強(qiáng)烈。"他談到將原子核聚集在一起的這種力。"但有趣的是，在這個(gè)中子量子點(diǎn)上，我們已經(jīng)有了幾千個(gè)原子核，它能夠穩(wěn)定這些約束態(tài)，這些約束態(tài)具有更多的彌散波函數(shù)，達(dá)到幾萬納米[十億分之一米]。這些量子點(diǎn)中的中子約束態(tài)實(shí)際上與湯姆森發(fā)現(xiàn)電子后建立的梅花布丁模型非常相似。"

　　這是如此的意外，李稱之為"量子力學(xué)問題的一個(gè)相當(dāng)瘋狂的解決方案"。這個(gè)團(tuán)隊(duì)稱這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)為人造的"中子分子"。"

　　這些中子分子是由量子點(diǎn)構(gòu)成的，量子點(diǎn)是微小的晶體粒子，原子集合的原子如此之小，以至于它們的性質(zhì)更多地受粒子的精確尺寸和形狀而不是它們的組成所支配。量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和控制是2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的主題， 獲麻省理工學(xué)院蒙吉巴文迪教授獎(jiǎng) 另外兩個(gè)。

　　卡佩拉羅說:"在傳統(tǒng)的量子點(diǎn)中，電子被宏觀原子所產(chǎn)生的電磁電位所捕獲，因此它的波函數(shù)延伸到大約10納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于典型的原子半徑。""同樣，在這些核量子點(diǎn)中，單個(gè)中子可以被納米晶捕獲，其大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過核力的范圍，并顯示類似的量子能。"當(dāng)這些能量跳躍給量子點(diǎn)以顏色時(shí)，中子量子點(diǎn)可以用來存儲(chǔ)量子信息。

　　這項(xiàng)工作是基于理論計(jì)算和計(jì)算模擬."我們用兩種不同的方式進(jìn)行了分析，最終也用數(shù)字進(jìn)行了驗(yàn)證，"李說。他說，盡管這種影響以前從未被描述過，但原則上沒有理由不能更早地找到:"從概念上講，人們應(yīng)該已經(jīng)考慮過了，"他說，但就團(tuán)隊(duì)能夠確定的程度而言，沒有人能夠做到。

　　進(jìn)行計(jì)算的困難之一是所涉及到的非常不同的尺度:中子與它們所連接的量子點(diǎn)的結(jié)合能大約是以前已知中子與一小群核結(jié)合的條件的萬億分之一。在這項(xiàng)工作中，研究小組使用了一種名為"格林函數(shù)"的分析工具，以證明強(qiáng)大的力量足以捕獲最小半徑為13納米的量子點(diǎn)中子。

　　然后，研究人員詳細(xì)模擬了一些特殊情況，比如使用鋰氫化物納米晶，一種作為可能的氫儲(chǔ)存介質(zhì)的材料。他們表明，中子與納米晶的結(jié)合能取決于晶體的精確尺寸和形狀，以及相對于中子的核旋轉(zhuǎn)極化。他們還計(jì)算了材料的薄膜和導(dǎo)線相對于微粒的類似效應(yīng)。

　　但是李說，實(shí)際上，在實(shí)驗(yàn)室中制造這樣的中子分子，除其他外，需要專門的設(shè)備來保持溫度在絕對零度以上千分之一開爾文的范圍內(nèi)，這是具有適當(dāng)專業(yè)知識(shí)的其他研究人員必須要做的事情。

　　李指出，"人造原子"由具有相同性質(zhì)的原子組合而成，可以在許多方面像單個(gè)原子一樣發(fā)揮作用。同樣，他說，這些人造分子提供了一個(gè)"有趣的模型系統(tǒng)"，可以用來研究"有趣的量子力學(xué)問題"，比如這些中子分子是否會(huì)有一個(gè)模仿原子的電子殼結(jié)構(gòu)。

　　"一個(gè)可能的應(yīng)用，"他說，"也許我們可以精確地控制中子狀態(tài)。通過改變量子點(diǎn)振蕩的方式，也許我們可以把中子射出一個(gè)特定的方向。中子是引發(fā)裂變和聚變反應(yīng)的強(qiáng)大工具，但到目前為止，很難控制單個(gè)中子。他說，這些新的約束態(tài)可以對單個(gè)中子提供更大程度的控制，這可能在新的量子信息系統(tǒng)的發(fā)展中發(fā)揮作用。

　　李說:"一個(gè)想法是利用它來操縱中子，然后中子就能影響其他的核旋轉(zhuǎn)。"在這個(gè)意義上，他說，中子分子可以作為獨(dú)立原子核旋轉(zhuǎn)之間的中間體--這種核旋轉(zhuǎn)是一種屬性，在發(fā)展量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的過程中，它已經(jīng)被用作基本的存儲(chǔ)單元。

　　"核旋轉(zhuǎn)就像一個(gè)靜止的量子位，中子就像一個(gè)飛行的量子位，"他說。"這是一個(gè)潛在的應(yīng)用。"他補(bǔ)充說，這與"基于電磁的量子信息處理完全不同，迄今為止，量子信息處理是主導(dǎo)范式。所以，不管它是超導(dǎo)量子位，還是被捕獲的離子或氮空缺中心，大多數(shù)都是基于電磁相互作用的。在這個(gè)新系統(tǒng)中，我們有中子和核旋轉(zhuǎn)。我們剛剛開始探索我們現(xiàn)在能做些什么。"

　　另一個(gè)可能的應(yīng)用，他說，是一種成像，使用中性激活分析。"中子成像是對X射線成像的補(bǔ)充，因?yàn)橹凶优c光元素的相互作用要強(qiáng)烈得多，"李說。它還可用于材料分析，這不僅可以提供有關(guān)元素成分的信息，甚至可以提供關(guān)于這些元素的不同同位素的信息。"很多化學(xué)成像和光譜學(xué)沒有告訴我們有關(guān)同位素的情況，"他說，中子法可以這樣做。

　　這項(xiàng)研究得到了美國海軍研究辦公室的強(qiáng)力支持。

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