Investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology) descubrieron la existencia de “moléculas neutrónicas” y aquí te explicamos cuál es la importancia de este hallazgo para el mundo de la física y cuáles son sus aplicaciones.
Primero, la investigación titulada “μeV-Deep Neutron Bound States in Nanocrystals” fue publicada el mes de marzo en la revista ACS Nano y está firmada por Hao Tang y Guoqing Wang, estudiantes graduados del MIT, y por Ju Li y Paola Cappellaro, profesores del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear de la misma institución.
En una nota publicada en el sitio web del MIT, se explica que “los neutrones son partículas subatómicas que no tienen carga eléctrica, a diferencia de los protones y los electrones; eso significa que, si bien la fuerza electromagnética es responsable de la mayoría de las interacciones entre la radiación y los materiales, los neutrones son esencialmente inmunes a esa fuerza”.
“En cambio, los neutrones se mantienen unidos dentro del núcleo de un átomo únicamente por algo llamado fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza”.
Aunque suene redundante, el MIT agrega que “como su nombre lo indica, la fuerza es realmente muy fuerte, pero solo a muy corta distancia: disminuye tan rápidamente que es insignificante más allá de 1/10.000 del tamaño de un átomo”.
Lo que ha descubierto la investigación liderada por Li y Cappellaro, es “que se puede hacer que los neutrones se adhieran a partículas llamadas puntos cuánticos, que están formados por decenas de miles de núcleos atómicos, mantenidos allí solo por la fuerza fuerte”.
¿En qué consiste el descubrimiento de las “moléculas neutrónicas”?
Las “moléculas neutrónicas” son descritas por los investigadores como “un nuevo estado” que permite “sondear el misterioso funcionamiento interno de los materiales y desbloquear nuevas fronteras del procesamiento de información cuántica”.
En una entrevista publicada en el sitio web del MIT, Ju Li dijo: “nos sorprendió que los neutrones puedan quedar atrapados por los materiales y que nadie hubiera hablado de ello antes, entre los expertos con los que habíamos consultado”.
Y agregó que, la fuerza que mantiene unidos los núcleos de los átomos “es muy pequeña, pero muy intensa… y lo interesante es que tenemos miles de núcleos en este punto cuántico neutrónico, y eso es capaz de estabilizar estos estados ligados, que tienen funciones de onda mucho más difusas a decenas de nanómetros [milmillonésimas de metro]”.
Li señala que los estados neutrónicos ligados en un punto cuántico “son en realidad bastante similares al modelo de budín de pasas de un átomo de Thomson, después de su descubrimiento del electrón”.
Los neutrones se utilizan ampliamente para investigar las propiedades de los materiales mediante un método llamado dispersión de neutrones, en el que un haz de neutrones se enfoca en una muestra y los neutrones que rebotan en los átomos del material se pueden detectar para revelar la estructura interna y la dinámica del material.
Sin embargo, hasta esta nueva publicación, nadie pensaba que estos neutrones pudieran realmente adherirse a los materiales que estaban investigando.
¿Cómo son las “moléculas neutrónicas”?
Paola Cappellaro menciona en el sitio web del MIT, que “en los puntos cuánticos convencionales, un electrón queda atrapado por el potencial electromagnético creado por un número macroscópico de átomos, por lo que su función de onda se extiende hasta unos 10 nanómetros, mucho más grande que un radio atómico típico”.
“De manera similar, en estos puntos cuánticos nucleónicos, un solo neutrón puede quedar atrapado por un nanocristal, con un tamaño mucho más allá del rango de la fuerza nuclear, y mostrar energías cuantificadas similares”. Si bien estos saltos de energía dan sus colores a los puntos cuánticos, los puntos cuánticos neutrónicos podrían usarse para almacenar información cuántica.
Los investigadores mencionan que los “átomos artificiales”, formados por conjuntos de átomos que comparten propiedades y pueden comportarse de muchas maneras como un solo átomo, se han utilizado para investigar muchas propiedades de los átomos reales.
De manera similar, estas moléculas artificiales proporcionan “un sistema modelo interesante” que podría usarse para estudiar “problemas de mecánica cuántica en los que uno pueda pensar; por ejemplo, si estas moléculas neutrónicas tendrán una estructura de capa que imite la estructura de capa de electrones de los átomos”.
¿Cuáles son las aplicaciones de las “moléculas neutrónicas”?
Para los expertos, una posible aplicación es que “tal vez podamos controlar con precisión el estado de los neutrones. Al cambiar la forma en que oscila el punto cuántico, tal vez podamos disparar el neutrón en una dirección particular”.
Los neutrones son herramientas poderosas para desencadenar reacciones tanto de fisión como de fusión, pero hasta ahora ha sido difícil controlar los neutrones individuales. Estos nuevos estados ligados podrían proporcionar grados mucho mayores de control sobre los neutrones individuales, lo que podría desempeñar un papel en el desarrollo de nuevos sistemas de información cuántica.
Cabe mencionar que, actualmente el procesamiento de información cuántica está basado en el electromagnetismo, pero Ju Li menciona que la “molécula neutrónica” podría servir como mediadora entre los espines nucleares de núcleos separados y “este espín nuclear es una propiedad que ya se está utilizando como unidad de almacenamiento básica, o qubit, en el desarrollo de sistemas informáticos cuánticos”.
Sus aplicaciones podrían impactar también en la medicina, los investigadores señalan que pueden ayudar a obtener imágenes mediante análisis de activación neutra: “Las imágenes de neutrones complementan las imágenes de rayos X porque los neutrones interactúan mucho más fuertemente con los elementos ligeros”.
“También se puede utilizar para el análisis de materiales, que puede proporcionar información no sólo sobre la composición elemental sino incluso sobre los diferentes isótopos de esos elementos. Gran parte de las imágenes químicas y la espectroscopia no nos informan sobre los isótopos, mientras que el método basado en neutrones sí podría hacerlo”.
Otra de las aplicaciones de este nuevo hallazgo estaría relacionado con la energía atómica, de acuerdo con el sitio Interesting Engineering: “Este avance podría ofrecer un control sin precedentes sobre los neutrones individuales, lo que conduciría a avances en las reacciones nucleares (fisión y fusión) para una producción de energía más segura y eficiente”.
