利用美国国家标准与技术研究所(NIST)的一项开创性新技术，由NIST研究人员领导的一项国际合作揭示了在技术上至关重要的硅晶体此前未被承认的特性，并揭示了一种重要的亚原子粒子和长期理论化的第五种自然力的新信息。
通过将被称为中子的亚原子粒子对准硅晶体，并yabo214以极高的灵敏度监测结果，NIST的科学家们能够获得三个不同寻常的结果:20年来首次使用一种独特的方法测量了一种关键的中子性质;在硅晶体中与热相关振动的影响的最高精度测量;以及可能性的强度限制“第五势力”超越了标准物理理论。
研究人员在杂志上报道了他们的发现亚博老虎机网登录．
为了在原子尺度上获得晶体材料的信息，科学家通常将一束粒子（如X射线、电子或中子）亚博网站下载对准晶体，并在光束穿过或弹离晶体晶格状原子几何结构的平面时检测光束的角度、强度和模式。yabo214
这些信息对于表征微芯片组件的电子、机械和磁性特性以及各种新型纳米材料的下一代应用(包括量子计算)至关重要。亚博网站下载我们已经知道了很多东西，但要想继续进步，需要越来越详细的知识。
“极大地改善了对硅的晶体结构的理解，即“万能”衬底或基础材料，所有这些都被建立起来，在理解测量精度受到量子效应限制的点附近的部件的性质方面，将是至关重要的。”NIST高级项目科学家Michael Huber说。
中子，原子和角度
像所有的量子物体一样，中子具有点状粒子和波的性质。当中子穿过晶体时，它会在称为布拉格平面的原子排或原子片之间和顶部形成驻波（就像弹拨的吉他弦）。当两条路线中的每一条路线的波浪合并时，或“妨碍”用物理学的说法，他们创造了一种称为彭德尔松振荡的微弱模式，这种模式提供了对中子在晶体内部所受力的洞察。
“想象两把完全相同的吉他，”胡伯说。“摘下他们以同样的方式,当琴弦震动,开车路上一个减速装置——也就是说,在飞机的原子晶格,压低其他长度相同的道路没有晶格之间的减速装置类似于移动飞机。比较两把吉他的声音可以让我们了解减速带:它们有多大，有多平滑，形状是否有趣?”
位于马里兰州盖瑟斯堡的NIST中子研究中心(NCNR)与来自日本、美国和加拿大的研究人员合作进行的最新工作，使硅晶体结构的精密测量提高了四倍。
Not-Quite-Neutral中子
在一个引人注目的结果中，科学家们测量了电流“装药半径”以一种新的方式测量中子，半径值的不确定性与使用其他方法获得的最精确的先前结果相竞争。中子是电中性的，顾名思义。但它们是由三种基本带电粒子组成的复合物体，这三种粒子称为夸克，它们具有不同的电学性质，但并不完全均匀分布。yabo214
因此，来自一种夸克的主要负电荷倾向于位于中子的外部，而净正电荷则位于中子的中心。这两种浓度之间的距离为“装药半径。”这个维度对基础物理学来说很重要，它已经被类似的实验测量过，但结果却大相径庭。pendellösung的新数据不受被认为导致这些差异的因素的影响。
在带电环境中测量彭德尔松振荡提供了一种测量电荷半径的独特方法。“当中子在晶体中时，它就在原子电云中”NIST的本杰明·希科克（Benjamin Heacock）说，他是该报告的第一作者亚博老虎机网登录纸。
“在那里，因为电荷之间的距离是如此之小，原子间的电场是巨大的，在每厘米1亿伏特的数量级。由于磁场非常非常大，我们的技术对这样一个事实很敏感，即中子的行为就像一个球形复合粒子，其核心略为正，周围外壳略为负。”
振动与不确定性
中子的一个有价值的替代品是X射线散射。但它的精确度受到热引起的原子运动的限制。热振动导致晶面之间的距离不断变化，从而改变被测量的干涉图样。
科学家们使用了neutron pendellösung振动测量来测试x射线散射模型预测的值，发现一些人明显低估了振动的幅度。
结果为x射线和中子散射提供了有价值的补充信息。中子几乎完全与原子中心(或原子核)的质子和中子相互作用，胡贝尔说,x射线揭示了电子是如何在原子核之间排列的。这种互补的知识加深了我们的理解。
“我们的测量如此敏感的一个原因是，中子穿透到晶体的深度比x射线要深得多——一厘米或更多——因此测量的原子核数量要大得多。我们已经发现证据表明，原子核和电子可能不会剧烈振动，正如人们普遍认为的那样。这改变了我们对硅原子在晶格内如何相互作用的理解。”
力五
标准模型是当前广泛接受的粒子和力如何在最小尺度上相互作用的理论。但是，这是一个不完整的解释自然如何运作，科学家怀疑有更多的宇宙比理论yabo214描述。
标准模型描述了自然界的三种基本力:电磁力、强力和弱力。每一种力都是通过“载体粒子。”yabo214例如，光子是电磁力的载体。但是，标准模型还没有在描述自然时纳入重力。此外，一些实验和理论表明可能存在第五种力。
一般来说，如果有载力体，其作用的长度与质量成反比这意味着它只能在一定范围内影响其他粒子，Heacock说。yabo214但是光子没有质量，它的作用范围是无限的。“所以，如果我们能确定它可能发挥作用的范围，我们就能限制它的力量。”科学家们的结果在0.02纳米(纳米，一米的十亿分之一)到10纳米的长度范围内，将潜在的第五种力的强度限制提高了10倍，给了第五种力搜寻者一个更窄的观测范围。
研究人员已经计划使用硅和锗进行更广泛的pendellösung测量。他们预计测量不确定性可能减少5个因素，这可能产生迄今为止最精确的中子电荷半径测量，并进一步限制-或发现-第五种力。他们还计划进行一个低温版本的实验，这将有助于了解晶体原子在所谓的“量子基态”中的行为，这解释了量子物体即使在接近绝对零度的温度下也永远不会完全静止的事实。
论文:Benjamin Heacock，藤界拓宏，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, Albert Young。Pendellösung干涉测量法探测中子电荷半径、晶格动力学和第五力。亚博老虎机网登录科学。2021年9月9日在线发布。
来源:https://www.nist.gov/