Au lieu de cela, les neutrons sont maintenus ensemble à l’intérieur du noyau d’un atome uniquement par ce qu’on appelle la force forte, l’une des quatre forces fondamentales de la nature. Comme son nom l'indique, la force est en effet très forte, mais seulement à très courte distance :elle diminue si rapidement qu'elle devient négligeable au-delà de 1/10 000 de la taille d'un atome.

Mais maintenant, des chercheurs du MIT ont découvert que les neutrons peuvent réellement s'accrocher à des particules appelées points quantiques, qui sont constitués de dizaines de milliers de noyaux atomiques, retenus là uniquement par la force puissante.

Cette nouvelle découverte pourrait conduire à de nouveaux outils utiles pour sonder les propriétés fondamentales des matériaux au niveau quantique, y compris celles résultant de la force forte, ainsi qu'à l'exploration de nouveaux types de dispositifs de traitement de l'information quantique.

Les travaux ont été publiés cette semaine dans la revue ACS Nano dans un article rédigé par les étudiants diplômés du MIT Hao Tang et Guoqing Wang et les professeurs du MIT Ju Li et Paola Cappellaro du Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires.

Les neutrons sont largement utilisés pour sonder les propriétés des matériaux à l'aide d'une méthode appelée diffusion de neutrons, dans laquelle un faisceau de neutrons est focalisé sur un échantillon, et les neutrons qui rebondissent sur les atomes du matériau peuvent être détectés pour révéler la structure interne et la dynamique du matériau.

Mais jusqu’à ces nouveaux travaux, personne ne pensait que ces neutrons pourraient réellement adhérer aux matériaux qu’ils sondaient. "Le fait que [les neutrons] peuvent être piégés par les matériaux, personne ne semble le savoir", explique Li, qui est également professeur de science et d'ingénierie des matériaux. "Nous avons été surpris que cela existe et que personne n'en ait parlé auparavant, parmi les experts que nous avons consultés", dit-il.

La raison pour laquelle cette nouvelle découverte est si surprenante, explique Li, est que les neutrons n'interagissent pas avec les forces électromagnétiques. Parmi les quatre forces fondamentales, la gravité et la force faible « ne sont généralement pas importantes pour les matériaux », dit-il. "Presque tout est une interaction électromagnétique, mais dans ce cas, comme le neutron n'a pas de charge, l'interaction ici se fait par une interaction forte, et nous savons qu'elle est à très courte portée. Elle est efficace à une portée de 10". à la puissance moins 15", soit un quadrillionième de mètre.

"C'est très petit, mais c'est très intense", dit-il à propos de cette force qui maintient ensemble les noyaux des atomes. "Mais ce qui est intéressant, c'est que nous avons plusieurs milliers de noyaux dans ce point quantique neutronique, et cela est capable de stabiliser ces états liés, qui ont des fonctions d'onde beaucoup plus diffuses à des dizaines de nanomètres. Ces états liés neutroniques dans un point quantique sont en fait assez proche du modèle atomique de Thomson, après sa découverte de l'électron."

C'était tellement inattendu que Li l'appelle "une solution assez folle à un problème de mécanique quantique". L'équipe appelle l'état nouvellement découvert une « molécule neutronique » artificielle.

Ces molécules neutroniques sont constituées de points quantiques, qui sont de minuscules particules cristallines, des ensembles d'atomes si petits que leurs propriétés dépendent davantage de la taille et de la forme exactes des particules que de leur composition. La découverte et la production contrôlée de points quantiques ont fait l'objet du prix Nobel de chimie 2023, décerné au professeur Moungi Bawendi du MIT et à deux autres personnes.

"Dans les points quantiques conventionnels, un électron est piégé par le potentiel électromagnétique créé par un nombre macroscopique d'atomes, sa fonction d'onde s'étend donc jusqu'à environ 10 nanomètres, soit beaucoup plus grand qu'un rayon atomique typique", explique Cappellaro. "De même, dans ces points quantiques nucléoniques, un seul neutron peut être piégé par un nanocristal, dont la taille dépasse largement la portée de la force nucléaire, et afficher des énergies quantifiées similaires." Bien que ces sauts d'énergie donnent leurs couleurs aux points quantiques, les points quantiques neutroniques pourraient être utilisés pour stocker des informations quantiques.

Ce travail est basé sur des calculs théoriques et des simulations informatiques. "Nous l'avons fait analytiquement de deux manières différentes, et finalement nous l'avons également vérifié numériquement", explique Li. Bien que l'effet n'ait jamais été décrit auparavant, dit-il, il n'y a en principe aucune raison pour qu'il n'ait pas été découvert beaucoup plus tôt :"Conceptuellement, les gens auraient déjà dû y penser", dit-il, mais d'après l'équipe capable de le déterminer, personne ne l'a fait.

Une partie de la difficulté des calculs réside dans les échelles très différentes impliquées :l'énergie de liaison d'un neutron aux points quantiques auxquels ils étaient attachés est environ un milliardième de celle des conditions connues précédemment dans lesquelles le neutron est lié à un petit groupe de noyaux. . Pour ce travail, l'équipe a utilisé un outil analytique appelé fonction de Green pour démontrer que la force forte était suffisante pour capturer les neutrons avec un point quantique d'un rayon minimum de 13 nanomètres.

Ensuite, les chercheurs ont réalisé des simulations détaillées de cas spécifiques, comme l’utilisation d’un nanocristal d’hydrure de lithium, un matériau étudié comme support possible de stockage de l’hydrogène. Ils ont montré que l’énergie de liaison des neutrons au nanocristal dépend des dimensions et de la forme exactes du cristal, ainsi que des polarisations de spin nucléaire des noyaux par rapport à celle du neutron. Ils ont également calculé des effets similaires pour les films minces et les fils du matériau, par opposition aux particules.

Mais Li dit que la création de telles molécules neutroniques en laboratoire, qui nécessite entre autres un équipement spécialisé pour maintenir des températures de quelques millièmes de Kelvin au-dessus du zéro absolu, est une tâche que d'autres chercheurs possédant l'expertise appropriée devront entreprendre. .

Li note que des « atomes artificiels » constitués d’assemblages d’atomes partageant des propriétés et pouvant se comporter de plusieurs manières comme un seul atome ont été utilisés pour sonder de nombreuses propriétés d’atomes réels. De même, dit-il, ces molécules artificielles fournissent « un système modèle intéressant » qui pourrait être utilisé pour étudier « des problèmes de mécanique quantique intéressants auxquels on peut réfléchir », par exemple si ces molécules neutroniques auront une structure de coque qui imite la structure de la coque électronique. d'atomes.

"Une application possible", dit-il, "est peut-être de pouvoir contrôler avec précision l'état des neutrons. En modifiant la façon dont le point quantique oscille, nous pouvons peut-être projeter le neutron dans une direction particulière." Les neutrons sont des outils puissants pour déclencher des réactions de fission et de fusion, mais jusqu'à présent, il a été difficile de contrôler des neutrons individuels. Ces nouveaux états liés pourraient fournir des degrés de contrôle bien plus élevés sur les neutrons individuels, ce qui pourrait jouer un rôle dans le développement de nouveaux systèmes d'information quantique, dit-il.

"Une idée est de l'utiliser pour manipuler le neutron, et celui-ci pourra alors affecter d'autres spins nucléaires", explique Li. En ce sens, dit-il, la molécule neutronique pourrait servir de médiateur entre les spins nucléaires de noyaux distincts – et ce spin nucléaire est une propriété qui est déjà utilisée comme unité de stockage de base, ou qubit, dans le développement de systèmes informatiques quantiques.

"Le spin nucléaire est comme un qubit stationnaire et le neutron est comme un qubit volant", dit-il. "C'est une application potentielle." Il ajoute que cela est « assez différent du traitement de l'information quantique basé sur l'électromagnétisme, qui est jusqu'à présent le paradigme dominant. Ainsi, qu'il s'agisse de qubits supraconducteurs, d'ions piégés ou de centres de lacunes d'azote, la plupart d'entre eux sont basés sur des interactions électromagnétiques. " Dans ce nouveau système, "nous avons des neutrons et un spin nucléaire. Nous commençons tout juste à explorer ce que nous pouvons en faire maintenant."

Une autre application possible, dit-il, concerne une sorte d’imagerie utilisant l’analyse par activation neutre. "L'imagerie neutronique complète l'imagerie aux rayons X car les neutrons interagissent beaucoup plus fortement avec les éléments légers", explique Li. Il peut également être utilisé pour l’analyse des matériaux, qui peut fournir des informations non seulement sur la composition élémentaire mais même sur les différents isotopes de ces éléments. "Une grande partie de l'imagerie chimique et de la spectroscopie ne nous renseignent pas sur les isotopes", alors que la méthode basée sur les neutrons pourrait le faire, dit-il.