Med hjälp av en banbrytande ny teknik vid National Institute of Standards and Technology (NIST), ett internationellt samarbete ledd av NIST-forskare har avslöjat tidigare okända egenskaper hos tekniskt avgörande kiselkristaller och avslöjat ny information om en viktig subatomär partikel och en sedan länge teoretiserad femte naturkraft.

Genom att rikta subatomära partiklar kända som neutroner mot kiselkristaller och övervaka resultatet med utsökt känslighet, NIST-forskarna kunde erhålla tre extraordinära resultat:den första mätningen av en nyckelneutronegenskap på 20 år med en unik metod; de högsta precisionsmätningarna av effekterna av värmerelaterade vibrationer i en kiselkristall; och gränser för styrkan hos en möjlig "femte kraft" bortom standardfysikteorier.

Forskarna rapporterar sina resultat i tidskriften Vetenskap .

För att få information om kristallina material på atomär skala, forskare riktar vanligtvis en stråle av partiklar (som röntgenstrålar, elektroner eller neutroner) vid kristallen och detekterar strålens vinklar, intensiteter och mönster när den passerar genom eller rikoschetterar från plan i kristallens gitterliknande atomgeometri.

Den informationen är avgörande för att karakterisera den elektroniska, mekaniska och magnetiska egenskaper hos mikrochipkomponenter och olika nya nanomaterial för nästa generations tillämpningar inklusive kvantberäkning. Mycket är redan känt, men fortsatta framsteg kräver allt mer detaljerad kunskap.

"En avsevärt förbättrad förståelse av kristallstrukturen hos kisel, det "universella" substratet eller grundmaterialet som allt är byggt på, kommer att vara avgörande för att förstå arten av komponenter som verkar nära den punkt där noggrannheten i mätningarna begränsas av kvanteffekter, " sa NIST senior projektforskare Michael Huber.

Neutroner, atomer och vinklar

Som alla kvantobjekt, neutroner har både punktliknande partikel- och vågegenskaper. När en neutron färdas genom kristallen, den bildar stående vågor (som en plockad gitarrsträng) både mellan och ovanpå rader eller ark av atomer som kallas Bragg-plan. När vågor från var och en av de två vägarna kombineras, eller "ingripa" i fysikspråket, de skapar svaga mönster som kallas pendellösungoscillationer som ger insikter om de krafter som neutroner upplever inuti kristallen.

"Föreställ dig två identiska gitarrer, sade Huber. Plocka dem på samma sätt, och när strängarna vibrerar, kör en på en väg med farthinder – det vill säga längs atomernas plan i gittret – och kör den andra längs en väg av samma längd utan farthinder – analogt med att flytta mellan gitterplanen. Att jämföra ljuden från båda gitarrerna säger oss något om farthinder:hur stora de är, hur smidigt, och har de intressanta former?"

Det senaste arbetet, som genomfördes vid NIST Center for Neutron Research (NCNR) i Gaithersburg, Maryland, i samarbete med forskare från Japan, USA och Kanada, resulterade i en fyrfaldig förbättring av precisionsmätning av kiselkristallstrukturen.

Inte helt neutrala neutroner

I ett slående resultat, forskarna mätte neutronens elektriska "laddningsradie" på ett nytt sätt med en osäkerhet i radievärdet som konkurrerade med de mest exakta tidigare resultaten med andra metoder. Neutroner är elektriskt neutrala, som deras namn antyder. Men de är sammansatta föremål som består av tre elementärt laddade partiklar som kallas kvarkar med olika elektriska egenskaper som inte är exakt jämnt fördelade.

Som ett resultat, övervägande negativ laddning från en sorts kvark tenderar att vara lokaliserad mot den yttre delen av neutronen, medan den positiva nettoladdningen är placerad mot mitten. Avståndet mellan dessa två koncentrationer är "laddningsradien". Den dimensionen, viktigt för grundläggande fysik, har mätts med liknande typer av experiment vars resultat skiljer sig markant. De nya pendellösungsuppgifterna påverkas inte av de faktorer som anses leda till dessa avvikelser.

Att mäta pendellösungssvängningarna i en elektriskt laddad miljö ger ett unikt sätt att mäta laddningsradien. "När neutronen är i kristallen, det är väl inom det elektriska atommolnet, " sa NISTs Benjamin Heacock, den första författaren på Vetenskap papper.

"Där inne, eftersom avstånden mellan laddningarna är så små, de interatomära elektriska fälten är enorma, i storleksordningen hundra miljoner volt per centimeter. Just därför, mycket stort fält, vår teknik är känslig för det faktum att neutronen beter sig som en sfärisk kompositpartikel med en något positiv kärna och ett något negativt omgivande skal."

Vibrationer och osäkerhet

Ett värdefullt alternativ till neutroner är röntgenspridning. Men dess noggrannhet har begränsats av atomrörelse orsakad av värme. Termiska vibrationer gör att avstånden mellan kristallplanen hela tiden förändras, och därmed ändrar interferensmönstren som mäts.

Forskarna använde neutron-pendellösung-oscillationsmätningar för att testa de värden som förutspåtts av röntgenspridningsmodeller och fann att vissa avsevärt underskattar vibrationens storlek.

Resultaten ger värdefull kompletterande information för både röntgen- och neutronspridning. "Neutroner interagerar nästan helt och hållet med protonerna och neutronerna i centrum, eller kärnor, av atomerna, " sade Huber, "och röntgenstrålar avslöjar hur elektronerna är ordnade mellan kärnorna. Denna kompletterande kunskap fördjupar vår förståelse.

"En anledning till att våra mätningar är så känsliga är att neutroner penetrerar mycket djupare in i kristallen än röntgenstrålar — en centimeter eller mer — och därmed mäter en mycket större samling av kärnor. Vi har hittat bevis för att kärnorna och elektronerna kanske inte vibrerar stelt. , som man brukar anta. Det förändrar vår förståelse för hur kiselatomer interagerar med varandra inuti ett kristallgitter."

Force fem

Standardmodellen är den nuvarande, allmänt accepterad teori om hur partiklar och krafter samverkar i de minsta skalorna. Men det är en ofullständig förklaring av hur naturen fungerar, och forskare misstänker att det finns mer i universum än vad teorin beskriver.

Standardmodellen beskriver tre grundläggande krafter i naturen:elektromagnetiska, stark och svag. Varje kraft verkar genom verkan av "bärarpartiklar". Till exempel, fotonen är kraftbäraren för den elektromagnetiska kraften. Men standardmodellen har ännu inte införlivat gravitation i sin beskrivning av naturen. Vidare, vissa experiment och teorier tyder på den möjliga närvaron av en femte kraft.

"Rent generellt, om det finns en kraftbärare, längdskalan över vilken den verkar är omvänt proportionell mot dess massa, "det betyder att det bara kan påverka andra partiklar över ett begränsat område, sa Heacock. Men fotonen, som inte har någon massa, kan agera över ett obegränsat intervall. "Så, om vi kan placera inom intervallet över vilket det kan agera, vi kan begränsa dess styrka." Forskarnas resultat förbättrar begränsningarna för styrkan hos en potentiell femte kraft med tio gånger över en längdskala mellan 0,02 nanometer (nm, miljarddels meter) och 10 nm, ger femtestyrks jägare en smalare räckvidd att se över.

Forskarna planerar redan mer expansiva pendellösungsmätningar med både kisel och germanium. De förväntar sig en möjlig faktor fem minskning av deras mätosäkerheter, som skulle kunna producera den mest exakta mätningen av neutronladdningsradien hittills och ytterligare begränsa - eller upptäcka - en femte kraft. De planerar också att utföra en kryogen version av experimentet, som skulle ge insikt i hur kristallatomerna beter sig i sitt så kallade "kvantgrundtillstånd", "som förklarar det faktum att kvantobjekt aldrig är helt stilla, även vid temperaturer som närmar sig absolut noll.