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，这种力确实非常强大，但仅限于非常近的范围内——它的衰减速度如此之快，以至于在原子大小超过1/10,000时可以忽略不计。但现在，麻省理工学院的研究人员发现，实际上可以使中子附着在称为量子点的粒子上，量子点由数以万计的原子核组成，仅通过强力将其固定在那里。
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特性，包括那些由强力产生的特性，以及探索新型量子信息处理设备。这项工作由麻省理工学院研究生唐浩和王国庆以及麻省理工学院核科学与工程系教授李举和保拉·卡佩拉罗在《ACSNano》杂志上发表。
中子被广泛用于使用一种称为中子散射的方法来探测材料特性，其中中子束聚焦在样品上，并且可以检测从材料原子弹回的中子，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实际上可能会粘附在他们正在探测的材料上。“事实上，[中子]可以被材料捕获，但似乎没有人知道这一点，”同时担任材料科学与工程教授的李说。“我们对这种情况的存在感到惊讶，而且在我们咨询过的专家中，之前没有人谈论过它，”他说。
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“通常对材料来说并不重要”。“几乎一切都是电磁相互作用，但在这种情况下，由于中子不带电荷，这里的相互作用是通过强相互作用，我们知道这是非常短程的。它的有效范围为10到负15次方，即一米的万亿分之一。
“它非常小，但非常强烈，”他谈到这种将原子核结合在一起的力时说道。“但有趣的是，我们在这个中子量子点中拥有数千个原子核，这能够稳定这些束缚态，这些束缚态在几十纳米(十亿分之一米)处具有更多的扩散波函数。量子点中的这些中子束缚态实际上非常类似于汤姆森发现电子后的原子李子布丁模型。”
这太出乎意料了，李称其为“量子力学问题的一个非常疯狂的解决方案”。研究小组将新发现的状态称为人造“中子分子”。
这些中子分子由量子点制成，量子点是微小的晶体颗粒，是非常小的原子集合，其性质更多地取决于颗粒的精确尺寸和形状，而不是其成分。量子点的发现和控制生产是2023年诺贝尔化学奖的主题，该奖授予了麻省理工学院教授MoungiBawendi和另外两人。
“在传统的量子点中，电子被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纳米，比典型的原子半径大得多，”卡佩拉罗说。“同样，在这些核子量子点中，单个中子可以被纳米晶体捕获，其尺寸远远超出核力的范围，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，但中子量子点可用于存储量子信息。
这项工作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，最终也通过数值验证了它，”李说。他说，虽然以前从未描述过这种效应，但原则上没有理由不能更早地发现它：“从概念上讲，人们应该已经考虑过它，”他说，但就团队而言能够确定，但没有人这样做。
进行计算的部分困难在于所涉及的尺度非常不同：中子与其所附着的量子点的结合能约为先前已知的中子与一小群原子核结合的条件的万亿分之一。在这项工作中，该团队使用了一种称为格林函数的分析工具来证明强力足以用最小半径为13纳米的量子点捕获中子。
然后，研究人员对具体情况进行了详细模拟，例如使用氢化锂纳米晶体，这种材料正在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，以及与中子相比的原子核的核自旋极化。他们还计算了材料的薄膜和电线与颗粒的类似效应。
但李说，实际上在实验室中制造这种中子分子，其中需要专门的设备来将温度保持在绝对零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。
李指出，“人造原子”由原子组合组成，这些原子具有相同的属性，并且可以像单个原子一样以多种方式表现，已被用来探测真实原子的许多属性。同样，他说，这些人造分子提供了“一个有趣的模型系统”，可用于研究“人们可以思考的有趣的量子力学问题”，例如这些中子分子是否具有模仿电子壳层结构的壳层结构原子。
“一个可能的应用，”他说，“也许我们可以精确控制中子态。通过改变量子点振荡的方式，也许我们可以将中子射向特定方向。”中子是触发裂变和聚变反应等的强大工具，但到目前为止，控制单个中子还很困难。他说，这些新的束缚态可以对单个中子提供更大程度的控制，这可以在新的量子信息系统的开发中发挥作用。
“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，”李说。他说，从这个意义上说，中子分子可以充当不同原子核的核自旋之间的中介，而这种核自旋这一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。
“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，”他说。“这是一个潜在的应用。”他补充说，这“与迄今为止占主导地位的基于电磁学的量子信息处理完全不同。因此，无论是超导量子位还是捕获离子或氮空位中心，其中大多数都是基于电磁相互作用。”相反，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可以用它做什么。”
他说，另一种可能的应用是使用中性激活分析进行成像。“中子成像补充了X射线成像，因为中子与轻元素的相互作用更加强烈，”Li说。它还可用于材料分析，不仅可以提供有关元素组成的信息，甚至可以提供有关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有关同位素的信息”，而基于中子的方法可以做到这一点。
