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重大突破!MIT研究员发现种子分子!

上传时间:2024-04-07 14:00:57浏览量:108

作为美国理工科巨头之一,MIT研究员发现种子分子,该类物质的发现,将会给学术界提供对材料性质和量子效应的深刻见解。下面就随tops留学老师一起来看看到底是怎么回事儿吧!

MIT研究员发现种子分子.png

  中子是没有电荷的亚原子粒子,不像质子和电子。这意味着,虽然电磁力对辐射和材料之间的大部分相互作用负责,中子基本上对这种作用是免疫的。

  相反,中子被原子核中的一个叫做强力的东西所连接在一起,强力是自然的四大基本力之一。顾名思义,这种力确实非常强大,但只是在非常近的范围内--它的下降是如此之快,以至于可以忽略超过1/10000原子的大小。

  但现在,麻省理工学院研究人员发现,中子实际上可以被用来吸附被称为量子点的粒子,这些粒子由成千上万的原子核组成,仅仅是由强大的力所持有。

  这项新发现可能会带来有用的新工具,用于探索量子级材料的基本性质,包括强力所产生的性质,以及探索新型的量子信息处理设备。

  据此,中子被广泛用于通过中子散射方法探测材料的特性,在这种方法中,中子束集中在样品上,而从材料原子上弹射出来的中子可以被检测到,以揭示材料的内部结构和动态。

  但是在这项新的研究之前,没有人认为这些中子可能真的会粘在他们正在探测的材料上。"事实上(中子)可能会被这些材料所束缚,似乎没有人知道这一点,"同时也是材料科学和工程学教授的李说。他说:“我们感到惊讶的是,在我们调查过的专家中,这种情况确实存在,而且以前没有人谈论过这种情况。

  李解释说,这项新发现之所以如此令人吃惊,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,所以这里的相互作用是通过强相互作用产生的,我们知道这是很短的距离。它的有效范围是10到负15的功率,"或者是米的百万分之一。

  "它很小,但是非常强烈。"他谈到将原子核聚集在一起的这种力。"但有趣的是,在这个中子量子点上,我们已经有了几千个原子核,它能够稳定这些约束态,这些约束态具有更多的弥散波函数,达到几万纳米[十亿分之一米]。这些量子点中的中子约束态实际上与汤姆森发现电子后建立的梅花布丁模型非常相似。"

  这是如此的意外,李称之为"量子力学问题的一个相当疯狂的解决方案"。这个团队称这个新发现的状态为人造的"中子分子"。"

  这些中子分子是由量子点构成的,量子点是微小的晶体粒子,原子集合的原子如此之小,以至于它们的性质更多地受粒子的精确尺寸和形状而不是它们的组成所支配。量子点的发现和控制是2023年诺贝尔化学奖的主题, 获麻省理工学院蒙吉巴文迪教授奖 另外两个。

  卡佩拉罗说:"在传统的量子点中,电子被宏观原子所产生的电磁电位所捕获,因此它的波函数延伸到大约10纳米,远远大于典型的原子半径。""同样,在这些核量子点中,单个中子可以被纳米晶捕获,其大小远远超过核力的范围,并显示类似的量子能。"当这些能量跳跃给量子点以颜色时,中子量子点可以用来存储量子信息。

  这项工作是基于理论计算和计算模拟."我们用两种不同的方式进行了分析,最终也用数字进行了验证,"李说。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更早地找到:"从概念上讲,人们应该已经考虑过了,"他说,但就团队能够确定的程度而言,没有人能够做到。

  进行计算的困难之一是所涉及到的非常不同的尺度:中子与它们所连接的量子点的结合能大约是以前已知中子与一小群核结合的条件的万亿分之一。在这项工作中,研究小组使用了一种名为"格林函数"的分析工具,以证明强大的力量足以捕获最小半径为13纳米的量子点中子。

  然后,研究人员详细模拟了一些特殊情况,比如使用锂氢化物纳米晶,一种作为可能的氢储存介质的材料。他们表明,中子与纳米晶的结合能取决于晶体的精确尺寸和形状,以及相对于中子的核旋转极化。他们还计算了材料的薄膜和导线相对于微粒的类似效应。

  但是李说,实际上,在实验室中制造这样的中子分子,除其他外,需要专门的设备来保持温度在绝对零度以上千分之一开尔文的范围内,这是具有适当专业知识的其他研究人员必须要做的事情。

  李指出,"人造原子"由具有相同性质的原子组合而成,可以在许多方面像单个原子一样发挥作用。同样,他说,这些人造分子提供了一个"有趣的模型系统",可以用来研究"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的电子壳结构。

  "一个可能的应用,"他说,"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出一个特定的方向。中子是引发裂变和聚变反应的强大工具,但到目前为止,很难控制单个中子。他说,这些新的约束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。

  李说:"一个想法是利用它来操纵中子,然后中子就能影响其他的核旋转。"在这个意义上,他说,中子分子可以作为独立原子核旋转之间的中间体--这种核旋转是一种属性,在发展量子计算机系统的过程中,它已经被用作基本的存储单元。

  "核旋转就像一个静止的量子位,中子就像一个飞行的量子位,"他说。"这是一个潜在的应用。"他补充说,这与"基于电磁的量子信息处理完全不同,迄今为止,量子信息处理是主导范式。所以,不管它是超导量子位,还是被捕获的离子或氮空缺中心,大多数都是基于电磁相互作用的。在这个新系统中,我们有中子和核旋转。我们刚刚开始探索我们现在能做些什么。"

  另一个可能的应用,他说,是一种成像,使用中性激活分析。"中子成像是对X射线成像的补充,因为中子与光元素的相互作用要强烈得多,"李说。它还可用于材料分析,这不仅可以提供有关元素成分的信息,甚至可以提供关于这些元素的不同同位素的信息。"很多化学成像和光谱学没有告诉我们有关同位素的情况,"他说,中子法可以这样做。

  这项研究得到了美国海军研究办公室的强力支持。

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