材料力學新見解  中子與量子點的交互作用

編譯/高晟鈞

麻省理工學院的研究人員發現,中子可以透過強力與由多個奈米級原子組成的「量子點」結合,這項發現為科學家們在量子層級上探測材料特性,並推進量子資訊處理設備的發展。

研究人員發現,中子與量子點的交互作用,推進量子資訊處理設備的發展。圖取自ScitechDaily

中子是什麼?

中子是不帶電荷的亞原子粒子,只有原子千分之一的大小,不同於質子與電子,主要受電磁力所影響。中子在原子核中的結合主要透過另外一種四大作用力「強力」,強力是四大作用力(強力、弱力、電磁力、萬有引力)中最強的力,但僅限於非常近的距離(10-15公尺),一旦超過這個範圍便會急速衰減。

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透過中子探測材料屬性

中子的穿透性極強,能入射到材料內部,且由於本身為電中性,不會受到原子核中的電子雲的電磁力影響,因此被當作探測材料整體物性的優質探測粒子,準確性甚至優於電子與X射線。

中子是探究固體及液體結構的理想工具,能夠被用來觀測原子的排列狀況甚或原子間的鍵結。中子在被反應爐激發出來後,被射入待觀測的物質中,最後透過被所探測物質中的原子散射,得到嘎物質的中子散射圖像。用這種方法所產生的圖像,可以顯示樣品分子級別的結構與能量的詳細資料。

量子力學新見解

然而,在這項研究發表前,沒有人認為中子能實際上黏附在材料原子上。在傳統的量子點中,電子被宏觀數量的原子產生的電磁勢所捕獲,波函數延伸到大約10奈米;因此理論上,該尺度上的強力應當因過弱而被忽略。然而,事實上,透過觀測到中子附著在量子點上的現象,研究人員認為中子確實可以被材料所捕獲,並透過強力與其結合。

研究人員將此狀態命名為「中子分子」;此外,該現象也顯示出類似於的量子化能量,可以用於儲存量子資訊。

潛在的量子應用

中子是觸發裂變和聚變反應等的強大工具,但到目前為止,控制單一中子還很困難。而這種新的束縛態可以對單一中子提供更大程度的控制,透過操縱中子分子,將其作為影響不同原子核間的媒介,有望在新的量子資訊系統的發展中發揮特殊作用。

此外,另一種可能的應用是使用中性活化分析進行成像,提供其他成像技術難以提供的信息。中子與輕元素的由於相互作用更加強烈,不僅可以提供有關元素組成的信息,甚至可以提供不同同位素的信息。

資料來源:ScitechDaily

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