Met behulp van een baanbrekende nieuwe techniek bij het National Institute of Standards and Technology (NIST), een internationale samenwerking onder leiding van NIST-onderzoekers heeft voorheen niet-herkende eigenschappen van technologisch cruciale siliciumkristallen onthuld en nieuwe informatie blootgelegd over een belangrijk subatomair deeltje en een lang getheoretiseerde vijfde natuurkracht.

Door subatomaire deeltjes, bekend als neutronen, op siliciumkristallen te richten en de uitkomst met uitstekende gevoeligheid te volgen, de NIST-wetenschappers waren in staat om drie buitengewone resultaten te verkrijgen:de eerste meting van een belangrijke neutroneneigenschap in 20 jaar met behulp van een unieke methode; de meest nauwkeurige metingen van de effecten van warmtegerelateerde trillingen in een siliciumkristal; en grenzen aan de kracht van een mogelijke "vijfde kracht" die verder gaat dan de standaard natuurkundige theorieën.

De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Wetenschap .

Om informatie te verkrijgen over kristallijne materialen op atomaire schaal, wetenschappers richten doorgaans een bundel deeltjes (zoals röntgenstralen, elektronen of neutronen) bij het kristal en detecteren de hoeken van de bundel, intensiteiten en patronen wanneer het door vlakken gaat of afketst in de roosterachtige atomaire geometrie van het kristal.

Die informatie is van cruciaal belang voor het karakteriseren van de elektronische, mechanische en magnetische eigenschappen van microchipcomponenten en verschillende nieuwe nanomaterialen voor toepassingen van de volgende generatie, waaronder kwantumcomputers. Er is al veel bekend, maar voortdurende vooruitgang vereist steeds meer gedetailleerde kennis.

"Een enorm verbeterd begrip van de kristalstructuur van silicium, de 'universele' ondergrond of fundering waarop alles is gebouwd, zal cruciaal zijn voor het begrijpen van de aard van componenten die werken in de buurt van het punt waarop de nauwkeurigheid van metingen wordt beperkt door kwantumeffecten, ", zegt NIST senior projectwetenschapper Michael Huber.

Neutronen, atomen en hoeken

Zoals alle kwantumobjecten, neutronen hebben zowel puntachtige deeltjes- als golfeigenschappen. Terwijl een neutron door het kristal reist, het vormt staande golven (zoals een getokkelde gitaarsnaar) zowel tussen als bovenop rijen of vellen atomen die Bragg-vlakken worden genoemd. Wanneer golven van elk van de twee routes samenkomen, of "ingrijpen" in het taalgebruik van de natuurkunde, ze creëren vage patronen die pendellösung-oscillaties worden genoemd en die inzicht geven in de krachten die neutronen in het kristal ervaren.

"Stel je twee identieke gitaren voor, " zei Huber. "Pluk ze op dezelfde manier, en terwijl de snaren trillen, rijd er een op een weg met verkeersdrempels - dat wil zeggen, langs de vlakken van atomen in het rooster - en de ander over een weg van dezelfde lengte rijden zonder de verkeersdrempels - analoog aan het bewegen tussen de roostervlakken. Als we de geluiden van beide gitaren vergelijken, leren we iets over de verkeersdrempels:hoe groot ze zijn, hoe glad, en hebben ze interessante vormen?"

Het nieuwste werk, die werd uitgevoerd in het NIST Center for Neutron Research (NCNR) in Gaithersburg, Maryland, in samenwerking met onderzoekers uit Japan, de VS en Canada, resulteerde in een viervoudige verbetering van de precisiemeting van de siliciumkristalstructuur.

Niet helemaal neutrale neutronen

In een opvallend resultaat, de wetenschappers maten de elektrische "ladingsstraal" van het neutron op een nieuwe manier met een onzekerheid in de straalwaarde die concurreerde met de meest nauwkeurige eerdere resultaten met behulp van andere methoden. Neutronen zijn elektrisch neutraal, zoals hun naam doet vermoeden. Maar het zijn samengestelde objecten die bestaan ​​uit drie elementaire geladen deeltjes, quarks genaamd, met verschillende elektrische eigenschappen die niet precies gelijkmatig verdeeld zijn.

Als resultaat, overwegend negatieve lading van een soort quark heeft de neiging zich naar het buitenste deel van het neutron te bevinden, terwijl de netto positieve lading zich in de richting van het centrum bevindt. De afstand tussen die twee concentraties is de 'ladingsstraal'. die dimensie, belangrijk voor de fundamentele natuurkunde, is gemeten met vergelijkbare soorten experimenten waarvan de resultaten aanzienlijk verschillen. De nieuwe pendellösung-gegevens worden niet beïnvloed door de factoren waarvan wordt aangenomen dat ze tot deze discrepanties leiden.

Het meten van de pendellösung-oscillaties in een elektrisch geladen omgeving biedt een unieke manier om de laadstraal te meten. "Als het neutron in het kristal zit, het is ruim binnen de atomaire elektrische wolk, " zei Benjamin Heacock van NIST, de eerste auteur op de Wetenschap papier.

"Daarin, omdat de afstanden tussen de ladingen zo klein zijn, de interatomaire elektrische velden zijn enorm, in de orde van honderd miljoen volt per centimeter. Vanwege dat zeer, zeer groot veld, onze techniek is gevoelig voor het feit dat het neutron zich gedraagt ​​als een bolvormig composietdeeltje met een licht positieve kern en een licht negatieve omringende schil."

Trillingen en onzekerheid

Een waardevol alternatief voor neutronen is röntgenverstrooiing. Maar de nauwkeurigheid is beperkt door atomaire beweging veroorzaakt door warmte. Thermische trillingen zorgen ervoor dat de afstanden tussen kristalvlakken blijven veranderen, en verandert dus de interferentiepatronen die worden gemeten.

De wetenschappers gebruikten neutronen-pendellösung-oscillatiemetingen om de waarden te testen die werden voorspeld door röntgenverstrooiingsmodellen en ontdekten dat sommigen de omvang van de trillingen aanzienlijk onderschatten.

De resultaten bieden waardevolle aanvullende informatie voor zowel röntgen- als neutronenverstrooiing. "Neutronen werken bijna volledig samen met de protonen en neutronen in de centra, of kernen, van de atomen, "Huber zei, "en röntgenstralen onthullen hoe de elektronen tussen de kernen zijn gerangschikt. Deze complementaire kennis verdiept ons begrip.

"Een reden waarom onze metingen zo gevoelig zijn, is dat neutronen veel dieper in het kristal doordringen dan röntgenstralen - een centimeter of meer - en dus een veel grotere verzameling kernen meten. We hebben bewijs gevonden dat de kernen en elektronen niet star kunnen trillen , zoals algemeen wordt aangenomen. Dat verschuift ons begrip van hoe siliciumatomen met elkaar interageren in een kristalrooster."

Kracht vijf

Het standaardmodel is de huidige, algemeen aanvaarde theorie over hoe deeltjes en krachten op de kleinste schalen op elkaar inwerken. Maar het is een onvolledige uitleg van hoe de natuur werkt, en wetenschappers vermoeden dat er meer in het universum is dan de theorie beschrijft.

Het standaardmodel beschrijft drie fundamentele krachten in de natuur:elektromagnetische, sterk en zwak. Elke kracht werkt door de actie van "dragerdeeltjes". Bijvoorbeeld, het foton is de krachtdrager voor de elektromagnetische kracht. Maar het standaardmodel moet de zwaartekracht nog opnemen in zijn beschrijving van de natuur. Verder, sommige experimenten en theorieën suggereren de mogelijke aanwezigheid van een vijfde kracht.

"Over het algemeen, als er een krachtdrager is, de lengteschaal waarover het werkt is omgekeerd evenredig met zijn massa, " wat betekent dat het andere deeltjes slechts over een beperkt bereik kan beïnvloeden, zei Heacock. Maar het foton, die geen massa heeft, kan handelen over een onbeperkt bereik. "Dus, als we het bereik waarover het zou kunnen werken kunnen bevestigen, we kunnen de kracht ervan beperken." De resultaten van de wetenschappers verbeteren de beperkingen op de sterkte van een potentiële vijfde kracht met een factor tien over een lengteschaal tussen 0,02 nanometer (nm, miljardsten van een meter) en 10 nm, waardoor jagers van de vijfde kracht een kleiner bereik hebben om over te kijken.

De onderzoekers plannen al uitgebreidere pendellösung-metingen met zowel silicium als germanium. Ze verwachten een mogelijke reductie van hun meetonzekerheden met een factor vijf, die de meest nauwkeurige meting van de neutronenladingsstraal tot nu toe zou kunnen produceren en een vijfde kracht verder zou kunnen beperken of ontdekken. Ze zijn ook van plan om een ​​cryogene versie van het experiment uit te voeren, die inzicht zou geven in hoe de kristalatomen zich gedragen in hun zogenaamde "kwantumgrondtoestand, " wat verklaart waarom kwantumobjecten nooit perfect stil zijn, zelfs bij temperaturen die het absolute nulpunt naderen.