Utilizando una técnica nueva e innovadora en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST, una colaboración internacional liderada por investigadores del NIST ha revelado propiedades previamente no reconocidas de cristales de silicio tecnológicamente cruciales y ha descubierto nueva información sobre una partícula subatómica importante y una teoría teorizada desde hace mucho tiempo.quinta fuerza de la naturaleza.
Al apuntar partículas subatómicas conocidas como neutrones a los cristales de silicio y monitorear el resultado con una sensibilidad exquisita, los científicos del NIST pudieron obtener tres resultados extraordinarios: la primera medición de una propiedad clave de un neutrón en 20 años usando un método único; el más alto-mediciones de precisión de los efectos de las vibraciones relacionadas con el calor en un cristal de silicio; y límites en la fuerza de una posible "quinta fuerza" más allá de las teorías físicas estándar.
Los investigadores informan sus hallazgos en la revista ciencia .
Para obtener información sobre materiales cristalinos a escala atómica, los científicos suelen apuntar un haz de partículas como rayos X, electrones o neutrones al cristal y detectar los ángulos, intensidades y patrones del haz a medida que lo atraviesa o rebota.planos en la geometría atómica enrejada del cristal.
Esa información es de vital importancia para caracterizar las propiedades electrónicas, mecánicas y magnéticas de los componentes de microchip y varios nanomateriales novedosos para aplicaciones de próxima generación, incluida la computación cuántica. Ya se sabe mucho, pero el progreso continuo requiere un conocimiento cada vez más detallado.
"Una comprensión enormemente mejorada de la estructura cristalina del silicio, el sustrato 'universal' o material de base sobre el que se construye todo, será crucial para comprender la naturaleza de los componentes que operan cerca del punto en el que la precisión de las mediciones está limitada porefectos cuánticos ", dijo el científico principal del proyecto del NIST, Michael Huber.
neutrones, átomos y ángulos
Como todos los objetos cuánticos, los neutrones tienen propiedades puntuales de partículas y ondas. A medida que un neutrón viaja a través del cristal, forma ondas estacionarias como una cuerda de guitarra punteada tanto en medio como en la parte superior de filas u hojas de átomos llamadasPlanos de Bragg. Cuando las ondas de cada una de las dos rutas se combinan, o "interfieren" en el lenguaje de la física, crean patrones débiles llamados oscilaciones pendellösung que proporcionan información sobre las fuerzas que experimentan los neutrones dentro del cristal.
"Imagínese dos guitarras idénticas", dijo Huber. Toquelas de la misma manera, y cuando las cuerdas vibren, conduzca una por una carretera con baches, es decir, a lo largo de los planos de los átomos en la red y conduzcael otro por una carretera de la misma longitud sin los topes de velocidad, análogo a moverse entre los planos de celosía. La comparación de los sonidos de ambas guitarras nos dice algo sobre los topes de velocidad: qué tan grandes son, qué tan suaves y tienenformas? "
El último trabajo, que se llevó a cabo en el Centro NIST para la Investigación de Neutrones NCNR en Gaithersburg, Maryland, en colaboración con investigadores de Japón, EE. UU. Y Canadá, resultó en una mejora cuatro veces mayor en la medición de precisión de la estructura del cristal de silicio.
Neutrones no completamente neutros
En un resultado sorprendente, los científicos midieron el "radio de carga" eléctrico del neutrón de una nueva manera con una incertidumbre en el valor del radio competitivo con los resultados anteriores más precisos utilizando otros métodos. Los neutrones son eléctricamente neutros, como su nombresugiere. Pero son objetos compuestos formados por tres partículas cargadas elementales llamadas quarks con diferentes propiedades eléctricas que no están exactamente distribuidas de manera uniforme.
Como resultado, la carga predominantemente negativa de un tipo de quark tiende a ubicarse hacia la parte exterior del neutrón, mientras que la carga neta positiva se ubica hacia el centro. La distancia entre esas dos concentraciones es el "radio de carga".La dimensión, importante para la física fundamental, se ha medido mediante tipos similares de experimentos cuyos resultados difieren significativamente. Los nuevos datos de pendellösung no se ven afectados por los factores que se cree que conducen a estas discrepancias.
La medición de las oscilaciones de pendellösung en un entorno cargado eléctricamente proporciona una forma única de medir el radio de carga. "Cuando el neutrón está en el cristal, está bien dentro de la nube eléctrica atómica", dijo Benjamin Heacock, del NIST, el primer autor de la ciencia papel.
"Allí, debido a que las distancias entre cargas son tan pequeñas, los campos eléctricos interatómicos son enormes, del orden de cien millones de voltios por centímetro. Debido a ese campo muy, muy grande, nuestra técnica es sensible al hecho de queel neutrón se comporta como una partícula compuesta esférica con un núcleo ligeramente positivo y una capa circundante ligeramente negativa ".
vibraciones e incertidumbre
Una alternativa valiosa a los neutrones es la dispersión de rayos X. Pero su precisión se ha visto limitada por el movimiento atómico causado por el calor. La vibración térmica hace que las distancias entre los planos cristalinos sigan cambiando y, por lo tanto, cambia los patrones de interferencia que se están midiendo.
Los científicos emplearon mediciones de oscilación de neutrones pendellösung para probar los valores predichos por los modelos de dispersión de rayos X y encontraron que algunos subestiman significativamente la magnitud de la vibración.
Los resultados proporcionan información complementaria valiosa para la dispersión de rayos X y neutrones. "Los neutrones interactúan casi por completo con los protones y neutrones en los centros o núcleos de los átomos", dijo Huber, "y los rayos X revelan cómolos electrones están dispuestos entre los núcleos. Este conocimiento complementario profundiza nuestra comprensión.
"Una de las razones por las que nuestras mediciones son tan sensibles es que los neutrones penetran mucho más profundamente en el cristal que los rayos X un centímetro o más y, por lo tanto, miden un conjunto de núcleos mucho más grande. Hemos encontrado evidencia de que los núcleos y los electronespuede que no vibre rígidamente , como se supone comúnmente. Eso cambia nuestra comprensión sobre cómo los átomos de silicio interactúan entre sí dentro de una red cristalina ".
Fuerza cinco
El Modelo Estándar es la teoría actual y ampliamente aceptada de cómo las partículas y las fuerzas interactúan en las escalas más pequeñas. Pero es una explicación incompleta de cómo funciona la naturaleza, y los científicos sospechan que hay más en el universo de lo que describe la teoría.
El modelo estándar describe tres fuerzas fundamentales en la naturaleza: electromagnética, fuerte y débil. Cada fuerza opera a través de la acción de "partículas portadoras". Por ejemplo, el fotón es el portador de fuerza para la fuerza electromagnética. Pero el modelo estándar aún tieneincorporar la gravedad en su descripción de la naturaleza. Además, algunos experimentos y teorías sugieren la posible presencia de una quinta fuerza.
"Generalmente, si hay un portador de fuerza, la escala de longitud sobre la que actúa es inversamente proporcional a su masa", lo que significa que solo puede influir en otras partículas en un rango limitado, dijo Heacock. Pero el fotón, que no tiene masa,puede actuar en un rango ilimitado ". Por lo tanto, si podemos acotar el rango sobre el que podría actuar, podemos limitar su fuerza". Los resultados de los científicos mejoran las restricciones sobre la fuerza de una quinta fuerza potencial diez veces en una escala de longitud entre0.02 nanómetros nm, mil millonésimas de metro y 10 nm, lo que les da a los cazadores de quinta fuerza un rango reducido sobre el cual mirar.
Los investigadores ya están planificando mediciones de pendellösung más amplias utilizando silicio y germanio. Esperan una posible reducción de cinco veces en sus incertidumbres de medición, lo que podría producir la medición más precisa del radio de carga de neutrones hasta la fecha y restringir aún más, odescubrir - una quinta fuerza. También planean realizar una versión criogénica del experimento, que daría una idea de cómo se comportan los átomos de cristal en su llamado "estado fundamental cuántico", lo que explica el hecho de que los objetos cuánticos nunca sonperfectamente quieto, incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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