Banebrydende teknik giver vigtige nye detaljer om silicium, subatomære partikler og mulig femte kraft

Ved at bruge en banebrydende ny teknik ved National Institute of Standards and Technology (NIST), et internationalt samarbejde ledet af NIST-forskere har afsløret tidligere ukendte egenskaber ved teknologisk afgørende siliciumkrystaller og afdækket ny information om en vigtig subatomær partikel og en længe teoretiseret femte naturkraft.

Ved at rette subatomære partikler kendt som neutroner mod siliciumkrystaller og overvåge resultatet med udsøgt følsomhed, NIST-forskerne var i stand til at opnå tre ekstraordinære resultater:den første måling af en central neutronegenskab i 20 år ved hjælp af en unik metode; de højeste præcisionsmålinger af virkningerne af varmerelaterede vibrationer i en siliciumkrystal; og grænser for styrken af ​​en mulig "femte kraft" ud over standardfysikteorier.

Forskerne rapporterer deres resultater i tidsskriftet Videnskab .

For at få information om krystallinske materialer på atomær skala, forskere sigter typisk en stråle af partikler (såsom røntgenstråler, elektroner eller neutroner) ved krystallen og detekterer strålens vinkler, intensiteter og mønstre, når den passerer igennem eller rikochetteres af planer i krystallens gitterlignende atomgeometri.

Den information er afgørende vigtig for at karakterisere den elektroniske, mekaniske og magnetiske egenskaber af mikrochipkomponenter og forskellige nye nanomaterialer til næste generations applikationer, herunder kvanteberegning. Meget er kendt allerede, men fortsatte fremskridt kræver stadig mere detaljeret viden.

"En markant forbedret forståelse af krystalstrukturen af ​​silicium, det 'universelle' underlag eller fundamentmateriale, som alt er bygget på, vil være afgørende for at forstå arten af ​​komponenter, der fungerer nær det punkt, hvor nøjagtigheden af ​​målingerne er begrænset af kvanteeffekter, " sagde NIST seniorprojektforsker Michael Huber.

Neutroner, atomer og vinkler

Som alle kvanteobjekter, neutroner har både punktlignende partikel- og bølgeegenskaber. Når en neutron bevæger sig gennem krystallen, den danner stående bølger (som en plukket guitarstreng) både imellem og oven på rækker eller ark af atomer kaldet Bragg-planer. Når bølger fra hver af de to ruter kombineres, eller "blande sig" i fysikkens sprogbrug, de skaber svage mønstre kaldet pendellösung-oscillationer, der giver indsigt i de kræfter, som neutroner oplever inde i krystallen.

"Forestil dig to identiske guitarer, " sagde Huber. "Pluk dem på samme måde, og når strengene vibrerer, køre en ned ad en vej med fartbump – dvs. langs atomplanerne i gitteret - og køre den anden ned ad en vej af samme længde uden fartbumpene - analogt med at bevæge sig mellem gitterplanerne. Sammenligning af lydene fra begge guitarer fortæller os noget om fartbumpene:hvor store er de, hvor glat, og har de interessante former?"

Det nyeste værk, som blev udført på NIST Center for Neutron Research (NCNR) i Gaithersburg, Maryland, i samarbejde med forskere fra Japan, USA og Canada, resulterede i en firedobling af præcisionsmåling af siliciumkrystalstrukturen.

Ikke helt neutrale neutroner

I ét slående resultat, forskerne målte neutronens elektriske "ladningsradius" på en ny måde med en usikkerhed i radiusværdien, der konkurrerede med de mest præcise tidligere resultater ved hjælp af andre metoder. Neutroner er elektrisk neutrale, som deres navn antyder. Men de er sammensatte objekter, der består af tre elementært ladede partikler kaldet kvarker med forskellige elektriske egenskaber, som ikke er ligefrem ensartet fordelt.

Som resultat, overvejende negativ ladning fra en slags kvark har en tendens til at være placeret mod den ydre del af neutronen, hvorimod netto positiv ladning er placeret mod midten. Afstanden mellem disse to koncentrationer er "ladningsradius". Den dimension, vigtigt for grundlæggende fysik, er blevet målt ved lignende typer eksperimenter, hvis resultater afviger væsentligt. De nye pendellösung-data er upåvirket af de faktorer, der menes at føre til disse uoverensstemmelser.

Måling af pendellösung-oscillationerne i et elektrisk ladet miljø giver en unik måde at måle ladningsradius på. "Når neutronen er i krystallen, det er godt inden for den elektriske atomsky, " sagde NISTs Benjamin Heacock, den første forfatter på Videnskab papir.

"Derinde, fordi afstandene mellem ladninger er så små, de interatomiske elektriske felter er enorme, i størrelsesordenen hundrede millioner volt per centimeter. Netop derfor, meget stort felt, vores teknik er følsom over for, at neutronen opfører sig som en sfærisk sammensat partikel med en let positiv kerne og en let negativ omgivende skal."

Vibrationer og usikkerhed

Et værdifuldt alternativ til neutroner er røntgenspredning. Men dens nøjagtighed har været begrænset af atombevægelse forårsaget af varme. Termisk vibration får afstanden mellem krystalplan til at blive ved med at ændre sig, og dermed ændrer interferensmønstrene, der måles.

Forskerne brugte neutron pendellösung oscillationsmålinger til at teste værdierne forudsagt af røntgenspredningsmodeller og fandt ud af, at nogle signifikant undervurderer størrelsen af ​​vibrationen.

Resultaterne giver værdifuld supplerende information til både røntgen- og neutronspredning. "Neutroner interagerer næsten udelukkende med protonerne og neutronerne i centrene, eller kerner, af atomerne, "Sagde Huber, "og røntgenstråler afslører, hvordan elektronerne er arrangeret mellem kernerne. Denne komplementære viden uddyber vores forståelse.

"En grund til, at vores målinger er så følsomme, er, at neutroner trænger meget dybere ind i krystallen end røntgenstråler - en centimeter eller mere - og dermed måler en meget større samling af kerner. Vi har fundet beviser for, at kernerne og elektronerne muligvis ikke vibrerer stift. , som det almindeligt antages. Det ændrer vores forståelse af, hvordan siliciumatomer interagerer med hinanden inde i et krystalgitter."

Force fem

Standardmodellen er den nuværende, bredt accepteret teori om, hvordan partikler og kræfter interagerer i de mindste skalaer. Men det er en ufuldstændig forklaring på, hvordan naturen fungerer, og videnskabsmænd formoder, at der er mere i universet, end teorien beskriver.

Standardmodellen beskriver tre grundlæggende kræfter i naturen:elektromagnetiske, stærk og svag. Hver kraft virker gennem virkningen af ​​"bærerpartikler". For eksempel, fotonen er kraftbæreren for den elektromagnetiske kraft. Men Standardmodellen har endnu ikke inkorporeret tyngdekraften i sin beskrivelse af naturen. Desuden, nogle eksperimenter og teorier antyder den mulige tilstedeværelse af en femte kraft.

"Generelt, hvis der er en kraftbærer, længdeskalaen, som den virker over, er omvendt proportional med dens masse, "det betyder, at det kun kan påvirke andre partikler over et begrænset område, sagde Heacock. Men fotonen, som ikke har nogen masse, kan handle over et ubegrænset område. "Så, hvis vi kan placere det interval, som det kan virke over, vi kan begrænse dens styrke." Forskernes resultater forbedrer begrænsningerne for styrken af ​​en potentiel femte kraft med tidoblet over en længdeskala mellem 0,02 nanometer (nm, milliarder af en meter) og 10 nm, giver femtestyrks jægere en indsnævret rækkevidde at se over.

Forskerne planlægger allerede mere ekspansive pendellösung-målinger med både silicium og germanium. De forventer en mulig faktor på fem reduktion i deres måleusikkerhed, som kunne producere den mest præcise måling af neutronladningsradius til dato og yderligere begrænse - eller opdage - en femte kraft. De planlægger også at udføre en kryogen version af eksperimentet, som ville give indsigt i, hvordan krystalatomerne opfører sig i deres såkaldte "kvantegrundtilstand", "hvilket forklarer det faktum, at kvanteobjekter aldrig er helt stille, selv ved temperaturer, der nærmer sig absolut nul.