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중성자와 나노결정으로 만들어진 '중성자 분자' 최초 검출
새로운 양자 컴퓨터에 이용 가능

중성자의 새로운 결합 형태 발견
중성자와 나노결정으로 만들어진 '중성자 분자' 최초 검출

놀라운 발견:
생각했던 것과는 달리, 중성자는 분자와 같은 약한 결합을 형성할 수도 있다. 이러한 "중성자 분자"에서 개별 중성자는 수만 개의 원자로 구성된 나노결정에 부착되며 그 과정에서 새로운 결합 상태를 취한다. 이러한 저에너지 결합은 이전에 중성자에서 발견된 적이 없다고 팀은 보고했다. 

▲ 중성자가 동일한 스핀을 갖는 수만 개의 원자로 구성된 양자점에 충돌하면 강력한 핵력의 "싱크대"가 생성된다. 이는 중성자에 인력 효과를 가지며 나노결정과 약한 결합을 생성한다. © Ju Li et al.

대부분의 화학 또는 원자 결합은 전자기력(예: 서로 다른 전하의 인력 또는 자기 스핀의 상호 작용)을 기반으로 한다. 이것이 바로 원자핵의 충전되지 않은 구성 요소인 중성자가 결합을 꺼리는 것으로 간주된 이유다. 원자핵 안에서는 강한 핵력과 양성자와의 상호작용에 의해 서로 결합돼 있지만, 핵 외부의 중성자는 붕괴되기까지 약 15분 정도만 지속된다.

강하게 아니면 전혀

그러나 중성자가 방출되면 원자핵과 융합하여 새로운 동위원소를 형성한 다음 강한 핵력을 통해 다시 결합할 수 있다. 매사추세츠 공과대학(MIT)의 하오 탕(Hao Tang)과 그의 동료들은 “이러한 결합 상태는 메가전자볼트(MeV) 범위의 높은 결합 에너지를 가지고 있다”고 설명한다. "그러나 결합 에너지가 낮은 상호작용과 결합된 중성자 상태도 있는지는 알려지지 않았다.“

그 이유는 강력한 원자력은 사거리가 극히 짧기 때문이다. 원자 반경의 1만분의 1에 해당하는 거리에서도 무시할 수 있는 값으로 떨어진다. 따라서 중성자에 작용하는 이러한 기본 힘은 예를 들어 중성자를 단순히 원자핵 외부에 부착하는 데 충분하지 않다. 네 개의 중성자가 서로 연결된 구조인 소위 사중성자(tetraneutron)의 존재에 대해서도 논란이 있었다.

결합 파트너로서의 양자점

이제 밝혀진 바와 같이 중성자는 "결합에 대한 거부감"을 극복하고 느슨한 저에너지 결합을 형성할 수도 있다. 수석 저자인 주 리(Ju Li)는 "우리는 그러한 결합이 존재한다는 사실에 놀랐다. 물리학자들은 중성자가 양자점과 접촉할 때 어떻게 행동하는지 조사하기 위해 이론적 계산과 모델 시뮬레이션을 사용했을 때 중성자의 새로운 상태를 발견했다"고 말했다.

이러한 양자점은 전자스핀이 동일하게 정렬된 수만 개의 원자로 구성된 나노결정이다. 연구를 위해 Tang과 그의 동료들은 크기가 약 30나노미터인 리튬 수소화물(LiH)로 만들어진 나노결정과 개별 중성자의 상호작용을 분석했다. “리튬과 수소는 모두 강한 핵력의 음의 잠재력을 생성함으로써 중성자에 잠재적으로 끌어당기는 핵 효과를 가지고 있다”고 물리학자들은 설명했다.

중성자 결합 상태는 참신함

실제로 분석 결과 중성자가 양자점에 끌어당겨 축적되는 것으로 나타났다. “결합 에너지는 단지 마이크로전자 볼트 수준에 불과하다”고 연구팀은 보고했다. "따라서 우리는 이렇게 낮은 결합 에너지를 갖는 중성자 결합 상태의 존재를 입증하고 있다." 그러나 전제 조건은 수 밀리켈빈의 초저온 온도와 13나노미터의 리튬 수소화물 나노결정의 최소 반경이다. 또한 결합 상태는 몇 밀리초 동안만 안정적으로 유지된다.

물리학자들은 새로 발견된 중성자의 결합 형태를 "중성자 분자"라고 명명했다. 그들이 설명하는 것처럼, 이는 양자점에 있는 수만 개의 원자의 결합된 파동 함수가 본질적으로 강한 핵력의 범위를 확장하기 때문에 발생한다. 공동저자인 MIT의 파올라 카펠라로(Paola Cappellaro)는 “이러한 핵 양자점에서는 중성자가 강한 핵력의 정상 범위를 벗어난 거리에서도 갇힐 수 있다”고 말했다.

이 발견의 활용성은

새로운 유형의 중성자 결합에 대한 발견은 여전히 ​​이론적 계산과 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 한다. 그러나 Tang과 그의 동료들은 이러한 결합 상태가 실험실에서도 생성될 수 있다고 확신한다. 예를 들어, 온도가 몇 밀리켈빈에서 안정적으로 유지될 수 있는 특수 초저온 중성자 소스에서는 이것이 가능하다.

물리학자들에 따르면 중성자 결합 상태는 재료 연구와 양자 기술에 완전히 새로운 가능성을 열어줄 수 있다. Li는 "가능한 응용 중 하나는 중성자 상태를 보다 정밀하게 제어하는 ​​것"이라며 "양자점이 진동하는 방식을 제어함으로써 중성자를 특정 방향으로 방출할 수 있다"고 설명했다.

또 다른 가능한 응용 분야는 새로운 양자 컴퓨터다. Li는 "초전도 큐비트, 포획된 이온 또는 질소 결손 등 현재까지의 대부분의 양자 비트는 전자기 상호 작용을 기반으로 한다. 그러나 중성자 분자의 경우 스핀과 강한 핵력이 중요하다"고 말했다. “원자핵의 스핀은 고정 큐비트에 해당하고 중성자는 이동 큐비트에 해당한다”고 물리학자는 말했다. "우리는 이를 통해 무엇을 할 수 있는지 연구하기 시작했다.“
(ACS Nano, 2024; doi: 10.1021/acsnano.3c12929)
출처: Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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