Yapılan bir araştırma, nötronların kuantum noktaları olarak bilinen küçük atom kümelerine bağlanabildiğini ortaya koydu. Bu bulgu, malzeme özelliklerine ve kuantum fenomenlerine ışık tutabilir.
Proton ve elektronların aksine nötronlar elektrik yükü olmayan atom altı parçacıklardır. Bu, elektromanyetik kuvvetin radyasyon-malzeme etkileşimlerinin çoğundan sorumlu olmasına karşın, nötronların pratikte buna karşı bağışıklığı olduğu anlamına gelir.
Nötronlar bir atomun çekirdeği içinde yalnızca doğanın dört temel kuvvetinden biri olan güçlü kuvvet tarafından bir arada tutulur. Adından da anlaşılacağı üzere, bu kuvvet çok güçlüdür, ancak yalnızca çok yakın mesafelerde; bir atomun 1/10.000 boyutunun ötesinde, ihmal edilebilir hale gelir.
Ancak MIT’deki araştırmacılar, nötronların, on binlerce atom çekirdeğinden oluşan ve yalnızca güçlü kuvvet tarafından yerinde tutulan kuantum noktaları olarak bilinen parçacıklara bağlanmaya teşvik edilebileceğini keşfettiler.
Bu yeni keşif, güçlü kuvvetlerden kaynaklananlar da dahil olmak üzere kuantum seviyesindeki malzemelerin temel özelliklerini incelemek ve yeni tür kuantum bilgi işleme cihazlarını araştırmak için yararlı yeni araçlara yol açabilir.
Bulgular bu hafta ACS Nano dergisinde MIT’den yüksek lisans öğrencileri Hao Tang ve Guoqing Wang ve profesörler Ju Li ve Paola Cappellaro tarafından yayınlandı.
Nötronlar, nötron saçılması olarak bilinen ve bir nötron demetinin bir numuneye odaklandığı ve malzemenin atomlarından seken nötronların malzemenin iç yapısını ve dinamiklerini ortaya çıkarmak için ölçüldüğü bir teknik aracılığıyla malzeme özelliklerini keşfetmek için yaygın olarak kullanılır.
Ancak, bu son çalışmaya kadar, hiç kimse bu nötronların inceledikleri şeylere gerçekten yapışacağını hayal etmemişti.
Profesör Ju Li şöyle ekliyor:
“[Nötronların] malzemeler tarafından hapsedilebileceğini kimse bilmiyor gibi görünüyor. Bunun var olması ve danıştığımız uzmanların hiçbirinin bunu daha önce tartışmamış olması bizi şaşırttı” diyor.
Li, nötronların elektromanyetik kuvvetlerle etkileşime girmediğini, bu nedenle bu son keşfin şaşırtıcı olduğunu savunuyor. Dört temel kuvvetten ikisi olan yerçekimi ve zayıf kuvvet “genellikle malzemeler için önemli değildir” diye açıklıyor. “Neredeyse her şey elektromanyetik etkileşimdir, ancak bu durumda, nötronun yükü olmadığı için, etkileşim çok kısa menzilli olduğunu bildiğimiz güçlü etkileşim yoluyla gerçekleşir. Bu etkileşim, 10 ile eksi 15 kuvvet aralığında, yani bir metrenin katrilyonda biri kadar etkili.”
Atom çekirdeklerini bir arada tutan kuvveti “Çok küçük ama çok yoğun” diye açıklıyor.
Büyüleyici olan şey, bu nötronik kuantum noktasında yüzlerce çekirdeğe sahip olmamızdır, bu da bu bağlı durumları onlarca nanometrede [metrenin milyarda biri] çok daha yaygın dalga fonksiyonlarıyla kararlı hale getirmemize olanak tanır. Bir kuantum noktasındaki bu nötronik bağlı durumlar, Thomson’ın elektronun keşfinden sonra geliştirdiği erikli puding atom modeline oldukça benzemektedir.
Bu o kadar şaşırtıcı ki Li bunu “kuantum mekaniksel bir probleme oldukça çılgın bir çözüm” olarak tanımlıyor. Araştırmacılar yeni keşfedilen durumu yapay bir “nötronik molekül” olarak adlandırıyor.
Bu nötronik moleküller, özellikleri bileşimlerinden ziyade tam boyutları ve şekilleri tarafından belirlenecek kadar küçük atomlardan oluşan küçük kristal parçacıklar olan kuantum noktalarından inşa edilmiştir. 2023 Nobel Kimya Ödülü, kuantum noktalarının sentezini keşfettikleri ve kontrol ettikleri için MIT Profesörü Moungi Bawendi ve iki meslektaşına verildi.
Cappellaro’ya göre, sıradan kuantum noktalarında bir elektron, makroskopik sayıda atom tarafından üretilen elektromanyetik potansiyel tarafından hapsedilir, bu nedenle dalga fonksiyonu, normal bir atom yarıçapından önemli ölçüde daha büyük olan yaklaşık 10 nanometreye kadar uzanır.
Benzer şekilde, bu nükleonik kuantum noktalarında, tek bir nötron, nükleer kuvvet aralığının çok ötesinde bir boyuta sahip bir nanokristal tarafından hapsedilebilir ve karşılaştırılabilir kuantize enerjiler sergileyebilir. Enerji sıçramaları kuantum noktalarına renklerini verirken, nötronik kuantum noktaları kuantum verilerini depolamak için kullanılabilir.
Bu araştırma teorik hesaplamalar ve hesaplamalı simülasyonlar üzerine kurulmuştur. Li, bunu sayısal olarak doğrulamadan önce iki ayrı yöntemle analitik olarak yaptık, diye açıklıyor.
Bu etki daha önce hiç tanımlanmamış olsa da, çok daha önce keşfedilmemiş olması için bir neden olmadığını düşünüyor: İnsanların bunu kavramsal olarak düşünmüş olması gerektiğini, ancak ekibin söyleyebildiği kadarıyla kimsenin düşünmediğini savunuyor.
Çok çeşitli ölçekler, hesaplamaların yapılmasındaki zorluğa katkıda bulunuyor. Bir nötronun bağlı olduğu kuantum noktalarına bağlanma enerjisi, nötronun küçük bir çekirdek grubuna bağlandığı daha önce bildirilen koşulların yaklaşık trilyonda biri kadardır. Ekip, güçlü kuvvetin nötronları minimum 13 nanometre yarıçaplı bir kuantum noktasıyla hapsetmeye yeterli olduğunu göstermek için Green’in fonksiyonu olarak bilinen analitik bir araç kullandı.
Araştırmacılar daha sonra, potansiyel bir hidrojen depolama ortamı olarak araştırılan bir lityum hidrit nanokristali kullanmak gibi belirli örneklerin kapsamlı simülasyonlarını gerçekleştirdiler. Nötronların nanokristale bağlanma enerjisinin, kristalin özel boyutları ve biçiminin yanı sıra nötrona kıyasla çekirdeklerin nükleer spin polarizasyonları tarafından belirlendiğini gösterdiler. Ayrıca parçacıklar yerine malzemenin ince filmleri ve telleri için de benzer etkileri tahmin ettiler.
Ancak Li, mutlak sıfırın birkaç binde bir Kelvin üzerindeki sıcaklıkları korumak için özel ekipman gerektiren bu tür nötronik molekülleri laboratuvarda yaratmanın, uygun uzmanlığa sahip diğer araştırmacılar için bir görev olacağını söylüyor.
Li, gerçek atomların çeşitli özelliklerini araştırmak için, özellikleri paylaşan ve birçok yönden tek bir atom gibi davranabilen atomların bir araya gelmesinden oluşan “yapay atomların” kullanıldığına dikkat çekiyor. Benzer şekilde, bu yapay moleküllerin, nötronik moleküllerin atomların elektron kabuğu yapısını yansıtan bir kabuk şekline sahip olup olmadığı gibi “düşünülebilecek ilginç kuantum mekanik problemlerini” incelemek için kullanılabilecek “ilginç bir model sistem” sunduğunu savunuyor.
“Olası bir uygulama,” diye devam ediyor, “nötron durumunu hassas bir şekilde kontrol edebilmemizdir.” Belki de kuantum noktasının salınım şeklini değiştirerek nötronu belirli bir yöne gönderebiliriz. Nötronlar hem fisyon hem de füzyon olaylarını tetiklemek için güçlü silahlardır, ancak tek tek nötronları kontrol etmenin zor olduğu kanıtlanmıştır. Bu yeni bağlı durumların, tek tek nötronlar üzerinde çok daha büyük kontrol dereceleri sağlayabileceğini ve belki de yeni kuantum bilgi sistemlerinin geliştirilmesine yardımcı olabileceğini iddia ediyor.
Li’ye göre bu kavram, nötronu değiştirmek için kullanılacak ve bu da diğer nükleer spinleri etkileyebilecek. Bu şekilde, nötronik molekülün farklı çekirdeklerin nükleer spinleri arasında bir köprü görevi görebileceğine inanıyor – kuantum bilgisayar sistemlerinin geliştirilmesinde temel bir depolama birimi veya kübit olarak zaten kullanılmakta olan bir özellik.
Nükleer spini sabit bir kübit, nötronu ise uçan bir kübit olarak tanımlıyor. “Bu potansiyel uygulamalardan biri.” Bunun “şu anda baskın paradigma olan elektromanyetik tabanlı kuantum bilgi işlemeden oldukça farklı” olduğunu da ekliyor.
İster süper iletken kübitler, ister tuzaklanmış iyonlar ya da nitrojen boşluk merkezleri olsun, bunların çoğu elektromanyetik etkileşimlere dayanır. Bu yeni sistemde nötronlarımız ve nükleer spinimiz var. Bununla neler yapabileceğimizi daha yeni yeni anlamaya başlıyoruz.
Li’ye göre bir başka muhtemel uygulama da nötr aktivasyon analizi ile görüntüleme yapmak. Li’ye göre nötron görüntüleme X-ışını görüntülemeyi tamamlıyor çünkü nötronlar hafif elementlerle çok daha güçlü etkileşime giriyor. Ayrıca, sadece element bileşimini değil, aynı zamanda bu elementlerin çeşitli izotoplarını da ortaya çıkarabilen malzeme analizi için de kullanılabilir. Birçok kimyasal görüntüleme ve spektroskopik teknik izotopları ortaya çıkaramazken, nötron tabanlı yöntem bunu yapabilir, diye açıklıyor.
Kaynak: MIT News-Physics
