A Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) úttörő új technikáját alkalmazva a NIST kutatói által vezetett nemzetközi együttműködés feltárta a technológiailag döntő fontosságú szilíciumkristályok eddig fel nem ismert tulajdonságait, és új információkat tárt fel egy fontos szubatomi részecskéről és egy régóta elméleti ötödik erőről. természetből.
A neutronok néven ismert szubatomi részecskéket szilíciumkristályokra irányítva, és az eredményt kitűnő érzékenységgel figyelemmel kísérték, a NIST tudósai három rendkívüli eredményt tudtak elérni: 20 év óta először mértek meg egy kulcsfontosságú neutrontulajdonságot egyedülálló módszerrel; a hővel összefüggő rezgések hatásának legnagyobb pontosságú mérése szilíciumkristályban; és korlátozza egy lehetséges „ötödik erő” erejét a szokásos fizikai elméleteken túl.
A kutatók eredményeiket a folyóiratban közlik Tudomány.
Ahhoz, hogy információt szerezzenek az atomi léptékű kristályos anyagokról, a tudósok jellemzően egy részecskékből álló sugarat (például röntgensugarat, elektronokat vagy neutronokat) irányítanak a kristályra, és észlelik a sugár szögeit, intenzitását és mintázatait, amint áthalad vagy elszáll. síkok a kristály rácsszerű atomgeometriájában.
Ahogy a neutronok áthaladnak egy kristályon, két különböző állóhullámot hoznak létre – egyet az atomsíkok mentén, egyet pedig közöttük. E hullámok kölcsönhatása befolyásolja a neutron útját, feltárva a kristályszerkezet aspektusait. Jóváírás: NIST
Ez az információ kritikus fontosságú a mikrochip alkatrészek és különféle új nanoanyagok elektronikus, mechanikai és mágneses tulajdonságainak jellemzéséhez a következő generációs alkalmazásokhoz, beleértve kvantumszámítás. Sok mindent tudunk már, de a folyamatos fejlődés egyre részletesebb ismereteket igényel.
„A szilícium, az „univerzális” szubsztrátum vagy alapozóanyag, amelyre minden épül, kristályszerkezetének lényegesen jobb megértése kulcsfontosságú lesz annak a pontnak a közelében működő komponensek természetének megértéséhez, ahol pontosság A mérések számát a kvantumhatások korlátozzák” – mondta Michael Huber, a NIST projektvezető kutatója.
Neutronok, atomok és szögek
Mint minden kvantumobjektum, a neutronoknak is van pontszerű részecske- és hullámtulajdonsága. Ahogy egy neutron áthalad a kristályon, állóhullámokat képez (mint egy pengetős gitárhúr) a Bragg-síkok nevű atomsorok vagy -lapok között és tetején egyaránt. Amikor a két útvonal hullámai egyesülnek, vagy „beavatkoznak” a fizika szóhasználatában, halvány mintázatokat hoznak létre, úgynevezett pendellösung oszcillációkat, amelyek betekintést nyújtanak a neutronok kristályon belüli erőibe.
Az atommag minden neutronja három elemi részecskéből, úgynevezett kvarkból áll. A három kvark elektromos töltésének összege nulla, így elektromosan semleges. De ezeknek a töltéseknek az eloszlása olyan, hogy a pozitív töltések nagyobb valószínűséggel találhatók a neutron középpontjában, és a negatív töltések a neutronon kívül. Jóváírás: NIST
„Képzelj el két egyforma gitárt” – mondta Huber. „Ugyanúgy pengesd meg őket, és ahogy a húrok rezegnek, hajtsd le az egyiket a rácsos úton - vagyis a rácsban lévő atomok síkjai mentén -, a másikkal pedig egy ugyanilyen hosszúságú úton, a rácsok nélkül - analóg a rácssíkok közötti mozgással. A két gitár hangjának összehasonlítása elárul valamit a sebességcsökkentőkről: mekkorák, milyen simaak, és van-e érdekes formájuk?
A legújabb munka, amelyet a marylandi Gaithersburgban található NIST Neutronkutatási Központban (NCNR) végeztek, japán, amerikai és kanadai kutatókkal együttműködve, négyszeres javulást eredményezett a szilíciumkristályszerkezet precíziós mérésében.
Nem egészen semleges neutronok
Az egyik feltűnő eredmény szerint a tudósok új módon mérték a neutron elektromos „töltési sugarát”, a sugár értékének bizonytalansága mellett, amely versenyképes más módszerekkel a legpontosabb korábbi eredményekkel. A neutronok elektromosan semlegesek, ahogy a nevük is sugallja. De ezek olyan összetett objektumok, amelyek három elemi töltésű részecskéből, úgynevezett kvarkokból állnak, amelyek eltérő elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek, és amelyek eloszlása nem pontosan egyenletes.
Ennek eredményeképpen az egyik kvarkfajtából származó túlnyomórészt negatív töltés a neutron külső része felé, míg a nettó pozitív töltés a középpont felé helyezkedik el. A két koncentráció közötti távolság a „töltési sugár”. Ezt az alapvető fizika számára fontos dimenziót hasonló típusú kísérletekkel mérték, amelyek eredményei jelentősen eltérnek egymástól. Az új pendellösung adatokat nem befolyásolják azok a tényezők, amelyekről úgy gondolják, hogy ezekhez az eltérésekhez vezetnek.
Egy szabályos kristályban, például a szilíciumban, sok párhuzamos atomréteg van, amelyek mindegyike egy síkot alkot. A különböző síkok neutronokkal való szondázása a kristály különböző aspektusait tárja fel. Jóváírás: NIST
A pendellösung rezgések elektromosan töltött környezetben történő mérése egyedülálló módszert kínál a töltési sugár mérésére. "Amikor a neutron a kristályban van, akkor jóval az atomelektromos felhőn belül van" - mondta Benjamin Heacock, a NIST első szerzője. Tudomány papírt.
„Ott, mivel a töltések közötti távolságok olyan kicsik, az interatomikus elektromos mezők óriásiak, százmillió volt centiméterenként. A nagyon-nagyon nagy mező miatt a mi technikánk érzékeny arra a tényre, hogy a neutron gömb alakú kompozit részecskeként viselkedik, enyhén pozitív maggal és enyhén negatív héjjal.”
Rezgések és bizonytalanság
A neutronok értékes alternatívája a röntgensugárzás. De pontosságát korlátozta a hő okozta atommozgás. A hőrezgés hatására a kristálysíkok közötti távolságok folyamatosan változnak, és ezáltal megváltoznak a mért interferencia-mintázatok.
A tudósok neutron pendellösung oszcillációs méréseket alkalmaztak a röntgenszórási modellek által előrejelzett értékek tesztelésére, és megállapították, hogy egyesek jelentősen alábecsülik a rezgés nagyságát.
Az eredmények értékes kiegészítő információkat szolgáltatnak mind a röntgen-, mind a neutronszórásról. „A neutronok szinte teljes mértékben kölcsönhatásba lépnek az atomok centrumában vagy magjában található protonokkal és neutronokkal – mondta Huber –, és a röntgensugarak megmutatják, hogyan helyezkednek el az elektronok az atommagok között. Ez a kiegészítő tudás elmélyíti megértésünket.
„Az egyik oka annak, hogy méréseink olyan érzékenyek, hogy a neutronok sokkal mélyebbre hatolnak be a kristályba, mint a röntgensugarak – egy centiméter vagy több –, és így sokkal nagyobb maghalmazt mérnek. Bizonyítékot találtunk arra, hogy az atommagok és az elektronok nem rezeghetnek mereven, ahogy azt általában feltételezik. Ez megváltoztatja annak megértését, hogy a szilícium atomok hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással a kristályrácson belül.
Force Five
A Standard Modell a jelenlegi, széles körben elfogadott elmélet arra vonatkozóan, hogy a részecskék és az erők hogyan hatnak egymásra a legkisebb léptékben. De ez a természet működésének hiányos magyarázata, és a tudósok azt gyanítják, hogy az univerzumban több van, mint amit az elmélet leír.
A Standard Modell három alapvető erőt ír le a természetben: elektromágneses, erős és gyenge. Minden erő a „hordozó részecskék” működésén keresztül működik. Például a foton az elektromágneses erő erőhordozója. De a Standard Modellnek még be kell építenie a gravitációt a természet leírásába. Ezenkívül néhány kísérlet és elmélet egy ötödik erő lehetséges jelenlétére utal.
"Általában, ha van erőhordozó, a hosszskála, amelyen keresztül hat, fordítottan arányos a tömegével", ami azt jelenti, hogy csak korlátozott tartományban tud más részecskéket befolyásolni, mondta Heacock. De a foton, amelynek nincs tömege, korlátlan tartományban tud hatni. „Tehát, ha meg tudjuk határozni azt a tartományt, amelyen túl hathat, korlátozhatjuk az erejét.” A tudósok eredményei a 0.02 nanométer (nm, a méter milliárdod része) és a 10 nm közötti hosszúsági skálán tízszeresére javítják a potenciális ötödik erő erejére vonatkozó korlátokat, így az ötödik erők vadászai szűkebb tartományt adnak, amelyen át tekinthetnek.
A kutatók már kiterjedtebb pendellösung méréseket terveznek szilícium és germánium felhasználásával. Arra számítanak, hogy a mérési bizonytalanságuk ötszörösére csökken, ami a neutrontöltés sugarának eddigi legpontosabb mérését eredményezheti, és tovább korlátozhatja – vagy felfedezheti – az ötödik erőt. Azt is tervezik, hogy végrehajtják a kísérlet kriogén változatát is, amely betekintést nyújtana abba, hogyan viselkednek a kristályatomok úgynevezett „kvantum-alapállapotukban”, ami azt a tényt magyarázza, hogy a kvantumtárgyak soha nem állnak tökéletesen mozdulatlanok, még közeledő hőmérsékleten sem. abszolút nulla.
Hivatkozás: „Pendellösung Interferometry Probes the Neutron Charge Radius, Lattice Dynamics and Fifth Forces”, Benjamin Heacock, Takuhiro Fujiie, Robert W. Haun, Albert Henins, Katsuya Hirota, Takuya Hosobata, Michael G. Huber, Masaaki A Kitaguchi. Pushin, Hirohiko Shimizu, Masahiro Takeda, Robert Valdillez, Yutaka Yamagata és Albert Young, 9. szeptember 2021., Science.
DOI: 10.1126/science.abc2794
