연구는 중성자들이 양자점으로 알려진 나노크기의 원자단에 결합할 수 있다는 것을 보여줍니다. 그 발견은 물질의 특성과 양자효과에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다
중성자는 양성자나 전자와는 달리 전하를 띠지 않는 아원자 입자입니다. 즉, 방사선과 물질 사이의 상호작용의 대부분은 전자기력에 의해 담당되지만, 중성자는 본질적으로 그 힘에 면역력이 있습니다.
대신에, 중성자들은 자연의 4가지 기본적인 힘 중 하나인 강한 힘에 의해서만 원자핵 안에 붙어 있게 됩니다. 이름에서 알 수 있듯이, 그 힘은 정말로 매우 강하지만, 아주 가까운 거리에서만, 원자 크기의 1만 분의 1을 넘어 무시할 수 있을 정도로 매우 빠르게 떨어집니다. 하지만 이제, MIT의 연구원들은 중성자들이 강한 힘에 의해서만 수만 개의 원자핵으로 구성된 양자점이라고 불리는 입자들에 달라붙도록 실제로 만들어질 수 있다는 것을 발견했습니다.
그 새로운 발견은 새로운 종류의 양자 정보 처리 장치를 탐구할 뿐만 아니라 강한 힘으로부터 발생하는 물질들을 포함하여 양자 수준에서 물질들의 기본적인 특성들을 탐구하기 위한 유용한 새로운 도구로 이어질 수 있습니다. 그 연구는 이번 주에 ACS Nano 저널에 MIT 대학원생 Hao Tang과 Guoqing Wang, 그리고 원자력 공학부의 Ju Li와 Paola Cappellaro 교수의 논문으로 보도되었습니다.
중성자는 중성자 산란이라는 방법으로 물질의 특성을 조사하는 데 널리 사용되는데, 중성자 빔이 시료에 집중되고, 물질의 원자에서 튕겨 나가는 중성자를 검출하여 물질의 내부 구조와 역학을 밝힐 수 있습니다.
그러나 이 새로운 연구가 있기 전까지, 아무도 이 중성자들이 실제로 그들이 탐사하고 있는 물질들에 달라붙을지도 모른다고 생각했습니다. “중성자들이 그 물질들에 의해 갇힐 수 있다는 사실, 아무도 그것에 대해 알지 못하는 것 같습니다”라고 재료 과학 및 공학 교수이기도 한 리(Li)가 말했습니다. “우리는 이것이 존재하고 우리가 확인했던 전문가들 중에 아무도 이전에 그것에 대해 이야기한 적이 없다는 것에 놀랐습니다”라고 그는 말합니다.
이 새로운 발견이 매우 놀라운 이유는 중성자가 전자기력과 상호작용하지 않기 때문이라고 Li는 설명합니다. 네 가지 기본적인 힘 중 중력과 약한 힘은 “일반적으로 물질에 중요하지 않습니다”라고 그는 말합니다. “거의 모든 것이 전자기력의 상호작용이지만, 이 경우, 중성자는 전하를 가지고 있지 않기 때문에, 여기서의 상호작용은 강한 상호작용을 통해 이루어지며, 우리는 그것이 매우 단거리라는 것을 알고 있습니다. 그것은 10에서 15제곱미터의 범위에서 효과적입니다.” 또는 1,000조분의 1미터의 범위에서 효과적입니다.
“그것은 매우 작지만 매우 강렬합니다”라고 그는 원자들의 핵을 하나로 묶는 이 힘에 대해 말합니다. “하지만 흥미로운 것은 우리가 이 중성미자 양자점에 수 천 개의 핵을 가지고 있고, 그것은 수십 나노미터 (수십억 분의 1미터)에서 훨씬 더 확산 파동 기능을 가진 이러한 결합 상태를 안정화시킬 수 있다는 것입니다. 양자점의 이러한 중성미자 결합 상태는 사실 그가 전자를 발견한 후 톰슨의 원자 플럼 푸딩 모델과 매우 유사합니다.”
그것은 너무나 예상치 못한 것이었기 때문에, Li는 그것을 “양자역학적인 문제에 대한 꽤 미친 해결책”이라고 불렀습니다. 그 팀은 새로 발견된 상태를 “인공적인” “중성자 분자”라고 불렀습니다
이 중성자 분자들은 아주 작은 결정질 입자인 양자점으로 만들어져서 원자들의 집합체가 구성보다 입자의 정확한 크기와 모양에 의해 특성이 더 지배됩니다. 2023년 노벨 화학상의 주제는 양자점의 발견과 제어 생산으로, MIT의 무운기 바웬디 교수와 다른 두 명에게 수여되었습니다.
“기존 양자점에서, 전자는 거시적인 수의 원자들에 의해 만들어진 전자기 퍼텐셜에 의해 갇히게 되고, 따라서 전자의 파동함수는 일반적인 원자 반경보다 훨씬 큰 약 10 나노미터까지 확장됩니다.” “비슷하게, 이 핵 양자점에서, 단일 중성자는 핵력의 범위를 훨씬 넘는 크기를 가진 나노결정에 의해 갇힐 수 있고, 비슷한 양자화된 에너지를 나타낼 수 있습니다.” 이러한 에너지 점프들이 양자점에 그들의 색깔을 부여하는 반면, 중성자 양자점은 양자 정보를 저장하는 데 사용될 수 있습니다.
이 작업은 이론적 계산과 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 합니다. “우리는 두 가지 다른 방법으로 분석적으로 그것을 했고, 결국 수치적으로도 그것을 검증했습니다”라고 Li는 말합니다. 비록 그 효과가 이전에 설명된 적이 없었지만, 원칙적으로 훨씬 더 빨리 발견될 수 없었던 이유는 없다고 그는 말합니다. “개념적으로, 사람들은 그것에 대해 이미 생각했어야 합니다”라고 그는 말하지만, 팀이 결정할 수 있었던 한, 아무도 그렇게 하지 않았습니다.
계산을 하는데 있어서 어려움의 일부는 관련된 매우 다른 척도들입니다: 중성자와 그들이 부착하고 있던 양자점의 결합 에너지는 중성자가 작은 핵 그룹에 결합되어 있는 이전에 알려진 조건들의 약 1조분의 1입니다. 이 연구를 위해, 연구팀은 Green의 함수라고 불리는 분석 도구를 사용하여 강력한 힘이 최소 반경 13 나노미터의 양자점으로 중성자를 포획하기에 충분하다는 것을 증명했습니다.
그리고 나서, 연구원들은 수소의 가능한 저장 매체로서 연구되고 있는 물질인 리튬 하이드라이드 나노 결정의 사용과 같은 구체적인 경우들에 대해 상세한 시뮬레이션을 했습니다. 그들은 나노 결정에 중성자의 결합 에너지가 중성자의 결합 에너지와 비교하여 핵의 핵 스핀 분극뿐만 아니라 결정의 정확한 크기와 모양에 의존한다는 것을 보여주었습니다. 그들은 또한 입자가 아닌 물질의 박막과 와이어에 대해서도 비슷한 효과를 계산했습니다.
그러나 리는 실험실에서 이런 중성미자 분자를 만드는 것은 무엇보다도 켈빈의 수천 분의 1의 절대영도 이상의 온도를 유지하기 위해 전문 장비가 필요한 것으로 적절한 전문성을 가진 다른 연구자들이 착수해야 할 일이라고 말합니다.
리는 성질을 공유하고 하나의 원자처럼 다양한 방식으로 행동할 수 있는 원자의 집합체로 구성된 “인공 원자”가 실제 원자의 많은 특성을 조사하는 데 사용되었다고 말합니다. 마찬가지로, 이러한 인공 분자는 이러한 중성자 분자가 원자의 전자 껍질 구조를 모방한 껍질 구조를 가질 것인지 여부와 같은 “재미있는 양자 역학 문제”를 연구하는 데 사용할 수 있는 “흥미로운 모델 시스템”을 제공한다고 그는 말합니다.
“한 가지 가능한 응용은 아마도 우리가 중성자 상태를 정확하게 제어할 수 있다는 것입니다. 양자점이 진동하는 방식을 바꿈으로써, 우리는 아마도 특정한 방향으로 중성자를 발사할 수 있을 것입니다.” 중성자들은 핵분열과 핵융합 반응을 유발하는 것과 같은 것들을 위한 강력한 도구들이지만, 지금까지 개별 중성자들을 제어하는 것은 어려웠다. 이러한 새로운 결합 상태들은 개별 중성자들에 대한 훨씬 더 큰 수준의 제어를 제공할 수 있고, 이것은 새로운 양자 정보 시스템의 발전에 역할을 할 수 있다고 그는 말합니다.
“한 가지 아이디어는 중성자를 조작하는 데 사용하는 것이고, 그러면 중성자는 다른 핵 스핀에 영향을 미칠 수 있을 것입니다”라고 리는 말합니다. 그런 의미에서, 그는 중성자 분자가 분리된 핵의 핵 스핀 사이에서 매개자 역할을 할 수 있으며, 이 핵 스핀은 양자 컴퓨터 시스템을 개발하는 데 기본 저장 장치, 즉 큐비트로 이미 사용되고 있는 특성이라고 말합니다.
“핵 스핀은 정지된 큐비트와 같고, 중성자는 날아다니는 큐비트와 같습니다”라고 그는 말합니다. “그것은 하나의 잠재적인 응용입니다.” 그는 이것이 “지금까지 지배적인 패러다임인 전자기학 기반 양자 정보 처리와 상당히 다릅니다. 그래서, 초전도 큐비트든 갇힌 이온이든 질소 빈자리 중심이든 상관없이, 이것들 대부분은 전자기적 상호작용에 기초합니다.” 대신, 이 새로운 시스템에서, “우리는 중성자와 핵 스핀을 가지고 있습니다. 우리는 이제 그것으로 무엇을 할 수 있는지 탐구하기 시작했습니다.”
그의 말에 따르면, 가능한 또 다른 응용분야는, 중성자 활성화 분석을 이용한 일종의 영상촬영입니다. “중성자 영상촬영은, 중성자들이 빛의 원소들과 훨씬 더 강하게 상호작용하기 때문에, X선 영상촬영을 보완해줍니다.” 리 교수는, “중성자 영상촬영은, X선 영상촬영을 보완해줍니다,” 라고 말합니다. 이 영상촬영은, 원소 구성뿐만 아니라, 그 원소들의 다른 동위원소들에 대한 정보도 제공해주는, 물질 분석에도 사용될 수 있습니다. “많은 화학 영상촬영과 분광촬영은, 동위원소들에 대한 정보를 알려주지는 않지만,” 중성자 기반의 방법은, 그렇게 할 수 있다고 그는 말합니다.
이 연구는 미국 해군 연구소의 지원을 받았습니다.