En utilisant une nouvelle technique révolutionnaire au National Institute of Standards and Technology (NIST), une collaboration internationale dirigée par des chercheurs du NIST a révélé des propriétés auparavant non reconnues de cristaux de silicium technologiquement cruciaux et découvert de nouvelles informations sur une particule subatomique importante et une cinquième force théorisée depuis longtemps de nature.
En dirigeant des particules subatomiques appelées neutrons vers des cristaux de silicium et en surveillant le résultat avec une sensibilité exquise, les scientifiques du NIST ont pu obtenir trois résultats extraordinaires : la première mesure d'une propriété neutronique clé en 20 ans à l'aide d'une méthode unique ; les mesures les plus précises des effets des vibrations liées à la chaleur dans un cristal de silicium ; et les limites de la force d'une possible "cinquième force" au-delà des théories physiques standard.
Les chercheurs rapportent leurs résultats dans la revue Sciences.
Pour obtenir des informations sur les matériaux cristallins à l'échelle atomique, les scientifiques dirigent généralement un faisceau de particules (telles que des rayons X, des électrons ou des neutrons) vers le cristal et détectent les angles, les intensités et les motifs du faisceau lorsqu'il passe à travers ou ricoche. plans dans la géométrie atomique en forme de réseau du cristal.
Lorsque les neutrons traversent un cristal, ils créent deux ondes stationnaires différentes - une le long des plans atomiques et une entre eux. L'interaction de ces ondes affecte la trajectoire du neutron, révélant des aspects de la structure cristalline. Crédit : NIST
Ces informations sont d'une importance cruciale pour caractériser les propriétés électroniques, mécaniques et magnétiques des composants des micropuces et de divers nouveaux nanomatériaux pour les applications de nouvelle génération, notamment l'informatique quantique. Beaucoup de choses sont déjà connues, mais la poursuite des progrès nécessite des connaissances de plus en plus détaillées.
« Une compréhension considérablement améliorée de la structure cristalline du silicium, le substrat « universel » ou le matériau de base sur lequel tout est construit, sera cruciale pour comprendre la nature des composants fonctionnant près du point auquel le précision des mesures est limitée par les effets quantiques », a déclaré Michael Huber, scientifique principal du projet au NIST.
Neutrons, Atomes et Angles
Comme tous les objets quantiques, les neutrons ont à la fois des propriétés ponctuelles de particules et d'ondes. Lorsqu'un neutron traverse le cristal, il forme des ondes stationnaires (comme une corde de guitare pincée) à la fois entre et au-dessus des rangées ou des feuilles d'atomes appelées plans de Bragg. Lorsque les ondes de chacune des deux voies se combinent ou "interfèrent" dans le langage de la physique, elles créent de faibles motifs appelés oscillations pendellösung qui donnent un aperçu des forces que les neutrons subissent à l'intérieur du cristal.
Chaque neutron d'un noyau atomique est composé de trois particules élémentaires appelées quarks. La somme de la charge électrique des trois quarks est égale à zéro, ce qui la rend électriquement neutre. Mais la distribution de ces charges est telle que les charges positives sont plus susceptibles de se trouver au centre du neutron, et les charges négatives vers l'extérieur. Crédit : NIST
"Imaginez deux guitares identiques", a déclaré Huber. « Pincez-les de la même manière, et pendant que les cordes vibrent, conduisez-en une sur une route avec des ralentisseurs - c'est-à-dire le long des plans d'atomes dans le réseau - et conduisez l'autre sur une route de la même longueur sans les ralentisseurs - analogue au déplacement entre les plans du réseau. La comparaison des sons des deux guitares nous dit quelque chose sur les dos d'âne : quelle est leur taille, leur douceur et ont-ils des formes intéressantes ? »
Les derniers travaux, qui ont été menés au NIST Center for Neutron Research (NCNR) à Gaithersburg, Maryland, en collaboration avec des chercheurs du Japon, des États-Unis et du Canada, ont permis de multiplier par quatre la mesure de précision de la structure cristalline du silicium.
Neutrons pas tout à fait neutres
Dans un résultat frappant, les scientifiques ont mesuré le "rayon de charge" électrique du neutron d'une nouvelle manière avec une incertitude sur la valeur du rayon compétitive avec les résultats antérieurs les plus précis en utilisant d'autres méthodes. Les neutrons sont électriquement neutres, comme leur nom l'indique. Mais ce sont des objets composites constitués de trois particules élémentaires chargées appelées quarks avec des propriétés électriques différentes qui ne sont pas exactement uniformément réparties.
En conséquence, la charge principalement négative d'un type de quark a tendance à être située vers la partie externe du neutron, tandis que la charge positive nette est située vers le centre. La distance entre ces deux concentrations est le « rayon de charge ». Cette dimension, importante pour la physique fondamentale, a été mesurée par des types d'expériences similaires dont les résultats diffèrent sensiblement. Les nouvelles données de pendellösung ne sont pas affectées par les facteurs supposés conduire à ces écarts.
Dans un cristal régulier tel que le silicium, il existe de nombreuses couches parallèles d'atomes, chacune formant un plan. Sonder différents plans avec des neutrons révèle différents aspects du cristal. Crédit : NIST
La mesure des oscillations pendellösung dans un environnement électriquement chargé fournit un moyen unique de mesurer le rayon de charge. "Lorsque le neutron est dans le cristal, il se trouve bien dans le nuage électrique atomique", a déclaré Benjamin Heacock du NIST, le premier auteur de l'étude. Sciences papier.
« Là-bas, parce que les distances entre les charges sont si petites, les champs électriques interatomiques sont énormes, de l'ordre d'une centaine de millions de volts par centimètre. En raison de ce très, très grand champ, notre technique est sensible au fait que le neutron se comporte comme une particule composite sphérique avec un noyau légèrement positif et une enveloppe environnante légèrement négative.
Vibrations et incertitude
Une alternative intéressante aux neutrons est la diffusion des rayons X. Mais sa précision a été limitée par le mouvement atomique causé par la chaleur. Les vibrations thermiques font que les distances entre les plans cristallins changent constamment et modifient ainsi les modèles d'interférence mesurés.
Les scientifiques ont utilisé des mesures d'oscillation pendellösung des neutrons pour tester les valeurs prédites par les modèles de diffusion des rayons X et ont constaté que certains sous-estimaient considérablement l'amplitude de la vibration.
Les résultats fournissent des informations complémentaires précieuses pour la diffusion des rayons X et des neutrons. "Les neutrons interagissent presque entièrement avec les protons et les neutrons au centre, ou noyaux, des atomes", a déclaré Huber, "et les rayons X révèlent comment les électrons sont disposés entre les noyaux. Cette connaissance complémentaire approfondit notre compréhension.
"L'une des raisons pour lesquelles nos mesures sont si sensibles est que les neutrons pénètrent beaucoup plus profondément dans le cristal que les rayons X - un centimètre ou plus - et mesurent ainsi un assemblage beaucoup plus grand de noyaux. Nous avons trouvé des preuves que les noyaux et les électrons peuvent ne pas vibrer de manière rigide, comme on le suppose communément. Cela modifie notre compréhension de la façon dont les atomes de silicium interagissent les uns avec les autres à l'intérieur d'un réseau cristallin.
Force Cinq
Le modèle standard est la théorie actuelle largement acceptée sur la façon dont les particules et les forces interagissent aux plus petites échelles. Mais c'est une explication incomplète du fonctionnement de la nature, et les scientifiques soupçonnent qu'il y a plus dans l'univers que ce que la théorie décrit.
Le modèle standard décrit trois forces fondamentales dans la nature : électromagnétique, forte et faible. Chaque force opère par l'action de "particules porteuses". Par exemple, le photon est porteur de force pour la force électromagnétique. Mais le modèle standard n'a pas encore intégré la gravité dans sa description de la nature. De plus, certaines expériences et théories suggèrent la présence possible d'une cinquième force.
"Généralement, s'il y a un porteur de force, l'échelle de longueur sur laquelle il agit est inversement proportionnelle à sa masse", ce qui signifie qu'il ne peut influencer les autres particules que sur une plage limitée, a déclaré Heacock. Mais le photon, qui n'a pas de masse, peut agir sur une plage illimitée. "Donc, si nous pouvons mettre entre parenthèses la plage sur laquelle il pourrait agir, nous pouvons limiter sa force." Les résultats des scientifiques décuplent les contraintes sur la force d'une cinquième force potentielle sur une échelle de longueur comprise entre 0.02 nanomètre (nm, milliardième de mètre) et 10 nm, ce qui donne aux chasseurs de cinquième force une plage restreinte sur laquelle regarder.
Les chercheurs prévoient déjà des mesures de pendellösung plus étendues utilisant à la fois du silicium et du germanium. Ils s'attendent à une possible réduction d'un facteur cinq de leurs incertitudes de mesure, ce qui pourrait produire la mesure la plus précise du rayon de charge des neutrons à ce jour et contraindre davantage – ou découvrir – une cinquième force. Ils prévoient également d'effectuer une version cryogénique de l'expérience, ce qui donnerait un aperçu de la façon dont les atomes de cristal se comportent dans leur soi-disant «état fondamental quantique», ce qui explique le fait que les objets quantiques ne sont jamais parfaitement immobiles, même à des températures approchant zéro absolu.
Référence : "Pendellösung Interferometry Probes the Neutron Charge Radius, Lattice Dynamics, and Fifth Forces" par Benjamin Heacock, Takuhiro Fujiie, Robert W. Haun, Albert Henins, Katsuya Hirota, Takuya Hosobata, Michael G. Huber, Masaaki Kitaguchi, Dmitry A. Pushin, Hirohiko Shimizu, Masahiro Takeda, Robert Valdillez, Yutaka Yamagata et Albert Young, 9 septembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abc2794
