Використовуючи новаторську нову техніку в Національному інституті стандартів і технологій (NIST), міжнародне співробітництво під керівництвом дослідників NIST виявило раніше невідомі властивості технологічно важливих кремнієвих кристалів і виявило нову інформацію про важливу субатомну частинку та давно теоретизовану п’яту силу природи.
Націлюючи субатомні частинки, відомі як нейтрони, на кристали кремнію та контролюючи результат із надзвичайною чутливістю, вчені NIST змогли отримати три надзвичайних результати: перше вимірювання ключової властивості нейтронів за 20 років за допомогою унікального методу; найточніші вимірювання ефектів теплових коливань у кристалі кремнію; і обмеження сили можливої «п’ятої сили» поза стандартними теоріями фізики.
Про свої висновки дослідники повідомляють у журналі наука.
Щоб отримати інформацію про кристалічні матеріали в атомному масштабі, вчені зазвичай спрямовують пучок частинок (наприклад, рентгенівське випромінювання, електрони або нейтрони) на кристал і виявляють кути, інтенсивність і візерунки променя під час його проходження або рикошету. площини в ґратчастій атомній геометрії кристала.
Коли нейтрони проходять крізь кристал, вони створюють дві різні стоячі хвилі – одну вздовж атомних площин і одну між ними. Взаємодія цих хвиль впливає на шлях нейтрона, розкриваючи аспекти кристалічної структури. Авторство: NIST
Ця інформація критично важлива для характеристики електронних, механічних і магнітних властивостей компонентів мікрочіпів і різних нових наноматеріалів для застосувань наступного покоління, включаючи квантові обчислення. Багато вже відомо, але продовження прогресу вимагає все більш детальних знань.
«Надзвичайно краще розуміння кристалічної структури кремнію, «універсальної» підкладки або основного матеріалу, на якому все побудовано, буде мати вирішальне значення для розуміння природи компонентів, що працюють поблизу точки, в якій точність кількість вимірювань обмежена квантовими ефектами», — сказав старший науковий співробітник проекту NIST Майкл Хубер.
Нейтрони, атоми та кути
Як і всі квантові об’єкти, нейтрони мають як точкові, так і хвильові властивості. Коли нейтрон проходить крізь кристал, він утворює стоячі хвилі (наприклад, щипкові гітарні струни) як між, так і поверх рядів або листів атомів, які називаються площинами Брегга. Коли хвилі від кожного з двох маршрутів поєднуються або «втручаються» мовою фізики, вони створюють слабкі візерунки, які називаються коливаннями pendellösung, які дають змогу зрозуміти сили, які нейтрони відчувають усередині кристала.
Кожен нейтрон в атомному ядрі складається з трьох елементарних частинок, які називаються кварками. Сума електричних зарядів трьох кварків дорівнює нулю, що робить його електрично нейтральним. Але розподіл цих зарядів такий, що позитивні заряди, швидше за все, знаходяться в центрі нейтрона, а негативні — назовні. Авторство: NIST
«Уявіть собі дві однакові гітари», — сказав Хубер. «Зерніть їх так само, і коли струни вібрують, проїдьте одну дорогою з лежачими поліцейськими — тобто вздовж площин атомів у решітці — а іншу — дорогою такої ж довжини без лежачих поліцейських — аналогічно переміщенню між площинами решітки. Порівняння звуків обох гітар дещо говорить нам про лежачі поліцейські: наскільки вони великі, плавні та чи мають вони цікаву форму?»
Остання робота, яка була проведена в Центрі нейтронних досліджень NIST (NCNR) у Гейтерсбурзі, штат Меріленд, у співпраці з дослідниками з Японії, США та Канади, призвела до чотирьохкратного покращення точності вимірювання кристалічної структури кремнію.
Не зовсім нейтральні нейтрони
В одному вражаючому результаті вчені виміряли електричний «радіус заряду» нейтрона по-новому з невизначеністю значення радіуса, що конкурує з найточнішими попередніми результатами за допомогою інших методів. Нейтрони електрично нейтральні, як випливає з їх назви. Але вони є складними об’єктами, що складаються з трьох елементарних заряджених частинок, званих кварками, з різними електричними властивостями, які не зовсім рівномірно розподілені.
Як наслідок, переважно негативний заряд одного типу кварків має тенденцію розташовуватися до зовнішньої частини нейтрона, тоді як сумарний позитивний заряд розташовується до центру. Відстань між цими двома концентраціями є «радіусом заряду». Цей вимір, важливий для фундаментальної фізики, був виміряний подібними типами експериментів, результати яких значно відрізняються. На нові дані Pendellösung не впливають фактори, які, як вважають, призводять до цих розбіжностей.
У правильному кристалі, такому як кремній, є багато паралельних листів атомів, кожен з яких утворює площину. Зондування різних площин за допомогою нейтронів відкриває різні аспекти кристала. Авторство: NIST
Вимірювання коливань pendellösung в електрично зарядженому середовищі забезпечує унікальний спосіб вимірювання радіуса заряду. «Коли нейтрон знаходиться в кристалі, він добре знаходиться в атомній електричній хмарі», — сказав Бенджамін Гікок з NIST, перший автор дослідження. наука папір.
«Там, оскільки відстані між зарядами такі малі, міжатомні електричні поля величезні, порядку ста мільйонів вольт на сантиметр. Через це дуже, дуже велике поле наша техніка чутлива до того факту, що нейтрон поводиться як сферична складова частинка з трохи позитивним ядром і трохи негативною навколишньою оболонкою».
Вібрації та невизначеність
Цінною альтернативою нейтронам є рентгенівське розсіювання. Але його точність була обмежена рухом атомів, викликаним теплом. Теплова вібрація спричиняє постійну зміну відстані між кристалічними площинами, що змінює інтерференційні картини, що вимірюються.
Вчені застосували вимірювання коливань нейтронів Pendellösung, щоб перевірити значення, передбачені моделями розсіювання рентгенівських променів, і виявили, що деякі значно недооцінюють величину вібрації.
Результати надають цінну додаткову інформацію як для рентгенівського, так і для розсіювання нейтронів. «Нейтрони майже повністю взаємодіють із протонами та нейтронами в центрах або ядрах атомів, — сказав Губер, — і рентгенівські промені показують, як електрони розташовані між ядрами. Ці додаткові знання поглиблюють наше розуміння.
«Одна з причин, чому наші вимірювання такі чутливі, полягає в тому, що нейтрони проникають у кристал набагато глибше, ніж рентгенівські промені – на сантиметр або більше – і, таким чином, вимірюють набагато більшу сукупність ядер. Ми знайшли докази того, що ядра й електрони можуть не вібрувати жорстко, як прийнято вважати. Це змінює наше розуміння того, як атоми кремнію взаємодіють один з одним усередині кристалічної решітки».
Сила п'ять
Стандартна модель — це сучасна, широко поширена теорія взаємодії частинок і сил у найменших масштабах. Але це неповне пояснення того, як влаштована природа, і вчені підозрюють, що у Всесвіті є щось більше, ніж описує теорія.
Стандартна модель описує три основні сили в природі: електромагнітну, сильну та слабку. Кожна сила діє через дію «частинок-носіїв». Наприклад, фотон є носієм електромагнітної сили. Але Стандартна модель ще не включила гравітацію в опис природи. Крім того, деякі експерименти та теорії припускають можливу присутність п’ятої сили.
«Загалом, якщо є носій сили, масштаб довжини, на якій він діє, обернено пропорційний його масі», тобто він може впливати на інші частинки лише в обмеженому діапазоні, сказав Гікок. Але фотон, який не має маси, може діяти в необмеженому діапазоні. «Отже, якщо ми можемо зафіксувати діапазон, у якому він може діяти, ми можемо обмежити його силу». Результати вчених покращують обмеження на силу потенційної п’ятої сили в десять разів на шкалі довжини від 0.02 нанометрів (нм, мільярдні частки метра) до 10 нм, даючи мисливцям за п’ятою силою звужений діапазон, на який варто дивитися.
Дослідники вже планують більш широкі вимірювання pendellösung з використанням як кремнію, так і германію. Вони очікують можливого п’ятикратного зменшення невизначеності своїх вимірювань, що може дати найточніші вимірювання радіуса заряду нейтрона на сьогоднішній день і додатково обмежити — або виявити — п’яту силу. Вони також планують провести кріогенну версію експерименту, яка дасть зрозуміти, як поводяться кристалічні атоми в їхньому так званому «основному квантовому стані», що пояснює той факт, що квантові об’єкти ніколи не перебувають абсолютно нерухомо, навіть при температурах, що наближаються до абсолютний нуль.
Довідка: «Інтерферометрія Pendellösung досліджує радіус заряду нейтрона, динаміку решітки та п’яті сили» Бенджаміна Гікока, Такухіро Фудзіє, Роберта В. Хауна, Альберта Хенінса, Кацуя Хірота, Такуя Хособата, Майкла Г. Хубера, Масаакі Кітагучі, Дмитра А. Пушін, Хірохіко Шімізу, Масахіро Такеда, Роберт Валділлес, Ютака Ямагата та Альберт Янг, 9 вересня 2021 р., Наука.
DOI: 10.1126/science.abc2794
