Направляя субатомные частицы, известные как нейтроны, на кристаллы кремния и отслеживая результат с исключительной чувствительностью, ученые NIST смогли получить три выдающихся результата: первое за 20 лет измерение ключевого свойства нейтрона с использованием уникального метода; высокоточные измерения эффектов тепловых колебаний в кристалле кремния; и ограничения силы возможной «пятой силы» за пределами стандартных физических теорий.
Исследователи сообщают о своих выводах в журнале Science.
Чтобы получить информацию о кристаллических материалах в атомном масштабе, ученые обычно направляют пучок частиц (таких как рентгеновские лучи, электроны или нейтроны) на кристалл и определяют углы, интенсивность и структуру пучка, когда он проходит через плоскости или рикошетит от них. решетчатая атомная геометрия кристалла.
Эта информация критически важна для характеристики электронных, механических и магнитных свойств компонентов микрочипов и различных новых наноматериалов для приложений следующего поколения, включая квантовые вычисления.
Уже многое известно, но постоянный прогресс требует все более детальных знаний.
«Значительно улучшенное понимание кристаллической структуры кремния,« универсальной »подложки или материала основания, на котором все построено, будет иметь решающее значение для понимания природы компонентов, работающих вблизи точки, в которой точность измерений ограничена квантовыми эффектами. ", – сказал старший научный сотрудник проекта NIST Майкл Хубер.
Нейтроны, атомы и углы
Как и все квантовые объекты, нейтроны обладают как точечными частицами, так и волновыми свойствами. Когда нейтрон проходит через кристалл, он образует стоячие волны (как натянутая гитарная струна) как между рядами или слоями атомов, так и над ними, называемыми плоскостями Брэгга.
Когда волны от каждого из двух путей объединяются, или «интерферируют», говоря языком физики, они создают слабые паттерны, называемые пенделосунговскими колебаниями, которые дают представление о силах, которые нейтроны испытывают внутри кристалла.
«Представьте себе две одинаковые гитары, – сказал Хубер. "Выщипывайте их таким же образом, и пока струны вибрируют, ведите одну по дороге с лежачими полицейскими, то есть по плоскостям атомов в решетке, а другую – по дороге такой же длины без скорости. неровности – аналогично перемещению между плоскостями решетки. Сравнение звуков обеих гитар говорит нам кое-что о лежачих полицейских: насколько они велики, насколько гладкие и имеют ли они интересные формы?"
Последняя работа, которая была проведена в Центре нейтронных исследований NIST (NCNR) в Гейтерсбурге, штат Мэриленд, в сотрудничестве с исследователями из Японии, США.S. и Канада, что привело к четырехкратному повышению точности измерения кристаллической структуры кремния.
Не совсем нейтральные нейтроны
В одном поразительном результате ученые измерили электрический «зарядовый радиус» нейтрона новым способом с неопределенностью в значении радиуса, сопоставимой с наиболее точными предыдущими результатами, полученными с использованием других методов. Нейтроны электрически нейтральны, как следует из их названия.
Но это составные объекты, состоящие из трех элементарных заряженных частиц, называемых кварками, с разными электрическими свойствами, которые не совсем равномерно распределены.
В результате преимущественно отрицательный заряд одного типа кварков имеет тенденцию располагаться по направлению к внешней части нейтрона, тогда как суммарный положительный заряд находится к центру. Расстояние между этими двумя концентрациями и есть "зарядовый радиус."Это измерение, важное для фундаментальной физики, было измерено с помощью экспериментов аналогичного типа, результаты которых существенно различаются.
На новые данные Pendellosung не повлияли факторы, которые, как считается, приводят к этим расхождениям.
Измерение пенделосунговских колебаний в электрически заряженной среде дает уникальный способ измерить радиус заряда. «Когда нейтрон находится в кристалле, он находится внутри атомного электрического облака», – сказал Бенджамин Хикок из NIST, первый автор статьи в Science.
"Там, поскольку расстояния между зарядами настолько малы, межатомные электрические поля огромны, порядка ста миллионов вольт на сантиметр. Из-за этого очень, очень большого поля наша методика чувствительна к тому факту, что нейтрон ведет себя как сферическая составная частица со слегка положительным ядром и слегка отрицательной окружающей оболочкой."
Колебания и неопределенность
Ценной альтернативой нейтронам является рассеяние рентгеновских лучей.
Но его точность ограничена движением атомов, вызванным высокой температурой. Тепловая вибрация вызывает постоянное изменение расстояний между плоскостями кристалла и, таким образом, изменяет измеряемые интерференционные картины.
Ученые использовали измерения осцилляции пенделозунга нейтронов, чтобы проверить значения, предсказанные моделями рассеяния рентгеновских лучей, и обнаружили, что некоторые из них значительно недооценивают величину вибрации.
Результаты предоставляют ценную дополнительную информацию для рассеяния рентгеновских лучей и нейтронов. «Нейтроны почти полностью взаимодействуют с протонами и нейтронами в центрах или ядрах атомов, – сказал Хубер, – а рентгеновские лучи показывают, как электроны расположены между ядрами.
Эти дополнительные знания углубляют наше понимание.
"Одна из причин, по которой наши измерения настолько чувствительны, заключается в том, что нейтроны проникают в кристалл намного глубже, чем рентгеновские лучи – на сантиметр или более – и, таким образом, измеряют гораздо более крупную совокупность ядер. Мы обнаружили доказательства того, что ядра и электроны не могут жестко колебаться, как это обычно предполагается. Это меняет наше понимание того, как атомы кремния взаимодействуют друг с другом внутри кристаллической решетки."
Force Five
Стандартная модель – это современная широко принятая теория взаимодействия частиц и сил на мельчайших масштабах. Но это неполное объяснение того, как устроена природа, и ученые подозревают, что во Вселенной есть нечто большее, чем описывает теория.
Стандартная модель описывает три фундаментальных силы в природе: электромагнитную, сильную и слабую. Каждая сила действует через действие «несущих частиц."Например, фотон является переносчиком электромагнитной силы. Но Стандартная модель еще не включила гравитацию в свое описание природы.
Кроме того, некоторые эксперименты и теории предполагают возможное присутствие пятой силы.
«Как правило, если есть носитель силы, масштаб длины, в котором он действует, обратно пропорционален его массе», что означает, что он может влиять на другие частицы только в ограниченном диапазоне, – сказал Хикок.
Но фотон, не имеющий массы, может действовать в неограниченном диапазоне. "Итак, если мы сможем ограничить диапазон, в котором он может действовать, мы можем ограничить его силу.«Результаты ученых улучшают ограничения на силу потенциальной пятой силы в десять раз по шкале длины от 0.02 нанометра (нм, миллиардных долей метра) и 10 нм, что дает охотникам пятой силы суженный диапазон, на который можно смотреть.
Исследователи уже планируют более масштабные измерения пенделозунга с использованием кремния и германия. Они ожидают возможного пятикратного уменьшения погрешности их измерений, что могло бы дать наиболее точное на сегодняшний день измерение радиуса нейтронного заряда и дополнительно ограничить – или обнаружить – пятую силу.
Они также планируют провести криогенную версию эксперимента, которая даст представление о том, как атомы кристалла ведут себя в их так называемом «квантовом основном состоянии», которое объясняет тот факт, что квантовые объекты никогда не бывают совершенно неподвижными даже при температурах, приближающихся к абсолютный ноль.