منوعات

باحثون يكتشفون “جزيئات النيوترون” | علم يوميا

النيوترونات هي جسيمات دون ذرية ليس لها شحنة كهربائية، على عكس البروتونات والإلكترونات. وهذا يعني أنه على الرغم من أن القوة الكهرومغناطيسية هي المسؤولة عن معظم التفاعلات بين الإشعاع والمواد، إلا أن النيوترونات محصنة بشكل أساسي ضد هذه القوة.

وبدلًا من ذلك، يتم تجميع النيوترونات معًا داخل نواة الذرة فقط من خلال ما يسمى بالقوة القوية، وهي إحدى القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة. وكما يوحي الاسم، فإن القوة قوية جدًا بالفعل، ولكن فقط على مسافات قصيرة جدًا: فهي تتناقص بسرعة كبيرة بحيث تصبح لا تُذكر بعد 1/10000 من حجم الذرة. لكن الآن، اكتشف باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن النيوترونات يمكنها في الواقع التمسك بجسيمات تسمى النقاط الكمومية، والتي تتكون من عشرات الآلاف من النوى الذرية، التي يتم الاحتفاظ بها هناك فقط بواسطة القوة القوية.

يمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف الجديد إلى أدوات جديدة مفيدة لاستكشاف الخصائص الأساسية للمواد على المستوى الكمي، بما في ذلك تلك الناتجة عن القوة القوية، بالإضافة إلى استكشاف أنواع جديدة من أجهزة معالجة المعلومات الكمومية. يتم نشر العمل هذا الأسبوع في الصحيفة ايه سي اس نانوفي ورقة بحثية كتبها طلاب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هاو تانغ وجوكينغ وانغ والأستاذان جو لي وباولا كابيلارو من قسم العلوم والهندسة النووية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

تُستخدم النيوترونات على نطاق واسع لاستكشاف خصائص المواد باستخدام طريقة تسمى تشتت النيوترونات، حيث يتم تركيز شعاع من النيوترونات على عينة ويمكن اكتشاف النيوترونات التي ترتد من ذرات المادة للكشف عن البنية الداخلية وديناميكيات المادة.

لكن حتى هذا العمل الجديد، لم يكن أحد يعتقد أن هذه النيوترونات يمكن أن تلتصق بالمواد التي تختبرها. يقول لي، وهو أيضًا أستاذ علوم وهندسة المواد: “يبدو أن لا أحد يعرف حقيقة إمكانية احتجاز (النيوترونات) بواسطة المواد”. يقول: «فوجئنا بوجود هذا الأمر، ولم يتحدث عنه أحد من قبل، من بين الخبراء الذين راجعناهم».

يوضح لي أن السبب وراء مفاجأة هذا الاكتشاف الجديد هو أن النيوترونات لا تتفاعل مع القوى الكهرومغناطيسية. ويقول إنه من بين القوى الأساسية الأربع، فإن الجاذبية والقوة الضعيفة “ليستا مهمتين بشكل عام بالنسبة للمواد”. “تقريبًا كل شيء عبارة عن تفاعل كهرومغناطيسي، لكن في هذه الحالة، نظرًا لأن النيوترون ليس له شحنة، فإن التفاعل هنا يكون عن طريق التفاعل القوي، ونحن نعلم أنه قصير المدى جدًا. وهو فعال في نطاق من 10 إلى قوة ناقص 15″، أو كوادريليون من المتر.

ويقول عن القوة التي تربط نوى الذرات ببعضها: “إنها صغيرة جدًا، لكنها شديدة جدًا”. “ولكن المثير للاهتمام هو أن لدينا عدة آلاف من النوى في هذه النقطة الكمومية النيوترونية، وهذا قادر على تثبيت هذه الحالات المرتبطة، والتي لها وظائف موجية منتشرة أكثر بكثير عند عشرات النانومترات (جزء من المليار من المتر). هذه الحالات المرتبطة بالنيوترونات في الكم الكمي النقاط هي في الواقع قريبة جدًا من نموذج طومسون للذرة، بعد اكتشافه للإلكترون.

لقد كان الأمر غير متوقع إلى درجة أن لي وصفه بأنه “حل مجنون جدًا لمشكلة ميكانيكا الكم”. يطلق الفريق على الحالة المكتشفة حديثًا اسم “جزيء نيوترون” اصطناعي.

تتكون جزيئات النيوترونات هذه من نقاط كمية، وهي عبارة عن جسيمات بلورية صغيرة، ومجموعات من الذرات صغيرة جدًا بحيث تعتمد خصائصها على الحجم والشكل الدقيقين للجسيمات أكثر من اعتمادها على تركيبها. كان اكتشاف النقاط الكمومية والتحكم في إنتاجها موضوع جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2023، التي مُنحت للأستاذ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مونجي باوندي واثنين آخرين.

“في النقاط الكمومية التقليدية، يتم احتجاز الإلكترون بواسطة الإمكانات الكهرومغناطيسية الناتجة عن عدد مجهري من الذرات، لذلك تمتد وظيفته الموجية إلى حوالي 10 نانومتر، وهو أكبر بكثير من نصف القطر الذري النموذجي”، يوضح كابيلارو. “وبالمثل، في هذه النقاط الكمومية النووية، يمكن احتجاز نيوترون واحد بواسطة بلورة نانوية، يتجاوز حجمها نطاق القوة النووية بكثير، وتظهر طاقات كمية مماثلة.” على الرغم من أن قفزات الطاقة هذه تعطي النقاط الكمومية ألوانها، إلا أنه يمكن استخدام النقاط الكمومية النيوترونية لتخزين المعلومات الكمومية.

يعتمد هذا العمل على الحسابات النظرية والمحاكاة الحاسوبية. يقول لي: “لقد قمنا بذلك تحليليًا بطريقتين مختلفتين، وأخيرًا تحققنا منه رقميًا أيضًا”، وعلى الرغم من أن التأثير لم يتم وصفه من قبل، إلا أنه من حيث المبدأ لا يوجد سبب يمنع اكتشافه كثيرًا. في وقت سابق: “من الناحية النظرية، كان ينبغي على الناس أن يفكروا في الأمر الآن”، كما يقول، ولكن وفقا للفريق القادر على تحديد ذلك، لم يفعل أحد ذلك. .

يكمن جزء من صعوبة الحسابات في المقاييس المختلفة للغاية المعنية: طاقة ربط النيوترون بالنقاط الكمومية التي ارتبطت بها تبلغ حوالي جزء من المليار من تلك الموجودة في الظروف المعروفة سابقًا والتي يرتبط فيها النيوترون بمجموعة صغيرة. من النوى. . في هذا العمل، استخدم الفريق أداة تحليلية تسمى دالة جرين لإثبات أن القوة القوية كانت كافية لالتقاط النيوترونات بنقطة كمومية بنصف قطر لا يقل عن 13 نانومتر.

بعد ذلك، أجرى الباحثون عمليات محاكاة تفصيلية لحالات محددة، مثل استخدام بلورة نانوية من هيدريد الليثيوم، وهي مادة تمت دراستها كوسيلة محتملة لتخزين الهيدروجين. لقد أظهروا أن طاقة ربط النيوترونات بالبلورة النانوية تعتمد على الأبعاد الدقيقة للبلورة وشكلها، بالإضافة إلى استقطابات الدوران النووي للنواة مقارنة باستقطاب النيوترون. كما قاموا بحساب تأثيرات مماثلة للأغشية الرقيقة وخيوط المادة، بدلاً من الجسيمات.

لكن لي يقول إن إنشاء مثل هذه الجزيئات النيوترونية في المختبر، والذي يتطلب من بين أمور أخرى معدات متخصصة للحفاظ على درجات حرارة بضعة أجزاء من الألف من كلفن فوق الصفر المطلق، هي مهمة سيتعين على الباحثين الآخرين ذوي الخبرة المناسبة القيام بها. .

ويشير لي إلى أن “الذرات الاصطناعية” المصنوعة من مجموعات من الذرات التي تشترك في الخصائص ويمكن أن تتصرف بعدة طرق مثل ذرة واحدة قد تم استخدامها لاستكشاف العديد من خصائص الذرات الحقيقية. وبالمثل، يقول إن هذه الجزيئات الاصطناعية توفر “نظامًا نموذجيًا مثيرًا للاهتمام” يمكن استخدامه لدراسة “مشاكل ميكانيكية كمية مثيرة للاهتمام يمكننا التفكير فيها”، مثل ما إذا كانت جزيئات النيوترون هذه سيكون لها هيكل غلاف يحاكي بنية الجسم. قذيفة إلكترونية. من الذرات.

ويقول: “قد يكون أحد التطبيقات المحتملة هو القدرة على التحكم بدقة في حالة النيوترونات. ومن خلال تغيير الطريقة التي تتأرجح بها النقطة الكمومية، قد نكون قادرين على توجيه النيوترون في اتجاه معين”. تعتبر النيوترونات أدوات قوية لإثارة تفاعلات الانشطار والاندماج، ولكن حتى الآن كان من الصعب التحكم في النيوترونات الفردية. ويقول إن هذه الحالات المقيدة الجديدة يمكن أن توفر درجات أكبر بكثير من التحكم في النيوترونات الفردية، والتي يمكن أن تلعب دورًا في تطوير أنظمة معلومات كمومية جديدة.

“إحدى الأفكار هي استخدامه للتلاعب بالنيوترون، ومن ثم يمكن أن يؤثر على السبينات النووية الأخرى”، كما يوضح لي. وبهذا المعنى، يقول، يمكن لجزيء النيوترون أن يتوسط بين السبينات النووية لنواة مختلفة – وهذا السبين النووي هو وهي خاصية تُستخدم بالفعل كوحدة تخزين أساسية، أو كيوبت، في تطوير أنظمة الحوسبة الكمومية. .

ويقول: “إن الدوران النووي يشبه الكيوبت الثابت، والنيوترون يشبه الكيوبت الطائر”. “إنه تطبيق محتمل.” ويضيف أن هذا “يختلف تمامًا عن معالجة المعلومات الكمومية القائمة على الكهرومغناطيسية، والتي هي النموذج السائد حتى الآن. لذا، سواء أكان الأمر عبارة عن كيوبتات فائقة التوصيل، أو أيونات محاصرة، أو مراكز شاغرة للنيتروجين، فإن معظمها يعتمد على التفاعلات الكهرومغناطيسية. “في هذا النظام الجديد،” لدينا نيوترونات ودوران نووي. لقد بدأنا للتو في استكشاف ما يمكننا فعله به الآن.”

ويقول إن التطبيق الآخر المحتمل يتضمن نوعًا من التصوير باستخدام تحليل التنشيط المحايد. يوضح لي: “يكمل التصوير النيوتروني التصوير بالأشعة السينية، لأن النيوترونات تتفاعل بقوة أكبر مع العناصر الخفيفة”، ويمكن استخدامه أيضًا لتحليل المواد، والذي يمكن أن يوفر معلومات ليس فقط عن التركيب الأولي، ولكن أيضًا عن النظائر المختلفة لهذه العناصر. ويقول: “لا تخبرنا الكثير من عمليات التصوير الكيميائي والتحليل الطيفي عن النظائر”، في حين أن الطريقة المعتمدة على النيوترونات يمكنها أن تفعل ذلك.

تم دعم البحث من قبل مكتب الولايات المتحدة للأبحاث البحرية.

..

Source link

orcalimaa

المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات الصحية والطبية الموثوقة وفي الوقت المناسب . توفير معلومات صحية ذات مصداقية ومجتمع داعم وخدمات تعليمية من خلال مزج الخبرة الحائزة على جوائز في المحتوى والخدمات المجتمعية وتعليقات الخبراء والمراجعة الطبية .

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى