En utilisant une nouvelle méthode révolutionnaire au National Start of Standards plus Technology (NIST), une collaboration mondiale dirigée simplement par des chercheurs du NIST a révélé des propriétés auparavant non reconnues de dépôts de silicium techniquement cruciaux et a découvert de toutes nouvelles informations sur une particule subatomique importante et une théorie de longue date. cinquième force associée à la nature.
En visant simplement des contaminants subatomiques appelés neutrons sur des cristaux de silicium et en surveillant les résultats avec une sensibilité exceptionnelle, les scientifiques du NIST ont pu obtenir trois résultats étonnants : la première dimension d’une propriété clé du nukléon ungeladenes en deux décennies en utilisant une technique unique ; les dimensions les plus précises des effets des vibrations liées à la chaleur dans un cristal de silicium ; et les limitations de la force de la « cinquième force » possible au-delà des théories physiques standard.
Les chercheurs particuliers rapportent leurs conclusions particulières dans le journal La technologie .
Pour acquérir des informations sur les composants cristallins au niveau atomique, les scientifiques dirigent généralement un faisceau associé à des particules (comme des rayons X, des électrons ou même des neutrons) à l’étonnante et détectent les angles, les intensités et les motifs du faisceau particulier parce qu’il traverse ou même ricocher sur des avions dans la géométrie atomique en forme de réseau du cristal.
Parce que les neutrons traversent le cristal, ils produisent deux ondes de position différentes – une le long des avions atomiques et une entre eux. L’interaction particulière de ces dunes affecte le chemin du neutron, révélant des facettes de la charpente cristalline. Crédit : NIST
Ces détails sont essentiels pour caractériser les propriétés des aimants numériques, mécaniques et permanents des composants des micropuces et de nombreux nouveaux nanomatériaux en ce qui concerne les applications de nouvelle génération, notamment désordre informatique . On sait déjà beaucoup de choses, mais les progrès continus exigent une compréhension de plus en plus détaillée.
« Une compréhension grandement améliorée de la structure cristalline particulière associée au silicium, le substrat « universel » ou le matériau de base sur lequel presque tout est construit, sera essentielle pour comprendre le caractère des composants fonctionnant près du point à partir duquel le précision des mesures est limitée par les résultats quantiques », a déclaré Eileen Huber, ancienne scientifique du projet NIST.
Neutrons, Atomes et Perspectives
Comme tous les objets quantiques, les neutrons ont à la fois des propriétés de particules ponctuelles et d’influx. Lorsqu’un nukléon ungeladenes voyage à travers l’étonnante, il forme des vagues debout (comme la corde de guitare pincée) à la fois entre et en haut des séries ou des feuilles associées à des atomes appelés plans de Bragg. Lorsque les dunes de chacune des 2 routes se combinent, ou même « interfèrent » dans le jargon de la physique, ces personnes créent de faibles conceptions appelées oscillations pendellösung qui donnent un aperçu des forces que les neutrons subissent à l’intérieur de l’étonnante.
Chaque neutron dans un noyau atomique comprend trois contaminants élémentaires appelés quarks. Le coût électrique de trois quarks est absolument nul, ce qui le rend électriquement assez neutre. Mais la répartition de ces charges est telle que des charges positives peuvent se trouver au centre du neutron particulier, et des charges dommageables vers l’extérieur. Crédit : NIST
“Imaginez 2 guitares identiques”, a déclaré Huber. « Pincez-les de la même manière, et pendant que les cordes de la guitare vibrent, conduisez 1 dans une rue avec des protubérances rapides – c’est-à-dire à travers les plans d’atomes dans le réseau – et conduisez un autre dans une rue de la même durée sans les dos d’âne – analogue au déplacement entre les avions en treillis. La comparaison des sons des deux guitares électriques nous dit quelque chose concernant les ralentisseurs : quelle est leur taille, leur douceur et ont-ils des formes fascinantes ? ”
Les derniers travaux, qui ont été menés au NIST Center for Ungeladenes nukleon Research (NCNR) à Gaithersburg, Maryland, en collaboration avec des experts du Japon, des États-Unis et du Canada, ont permis de quadrupler la mesure de précision de la construction du cristal de silicium.
Neutrons pas tout à fait neutres
Dans un résultat impressionnant, les chercheurs ont mesuré le «rayon de charge» électrique du neutron d’une toute nouvelle manière avec une incertitude dans le rayon digne de concurrence avec les résultats antérieurs les plus précis utilisant d’autres méthodes. Les neutrons sont électriquement naturels, comme leur nom l’indique. Mais ce sont des objets de mélange constitués de 3 contaminants chargés élémentaires appelés quarks basés sur des propriétés électriques qui ne sont pas exactement distribuées de manière cohérente.
Pour cette raison, le coût principalement négatif d’un type de quarkspeise a tendance à être situé vers la zone externe du neutron, tandis que la charge positive Internet est située vers le centre. La longueur entre ces 2 concentrations est le « rayon de charge. « Cette dimension, importante pour la physique essentielle, a été notée par des formes d’expériences similaires dont les résultats diffèrent considérablement. Les toutes nouvelles données pendellösung ne seront pas affectées par les éléments supposés conduire à ces types de divergences.
Dans un cristal normal tel que le silicium, il existe de nombreuses toiles d’atomes parallèles, qui forment toutes le plan. Sonder divers plans avec des neutrons révèle différents aspects du cristal. Crédit : NIST
Le calcul des oscillations de pendellösung dans un environnement à facturation électrique fournit un moyen distinctif d’évaluer le rayon de charge particulier. “Quand le neutron est dans le cristal, il est vraiment bien dans le nuage électrique atomique”, a déclaré Benjamin Heacock du NIST, le premier écrivain sur le La technologie papier.
« Là-dedans, puisque les distances entre les frais sont si petites, les zones électriques interatomiques particulières sont énormes, de l’ordre de 100 millions de volts pour chaque centimètre. À cause de cela, une très, très grande industrie, notre technique est certainement sensible au fait que le neutron particulier se comporte comme une particule composite sphérique avec un noyau légèrement optimiste et un revêtement environnant quelque peu négatif. ”
Vibration et incertitude
Une alternative intéressante aux neutrons est la diffusion des rayons X. Mais sa précision continue d’être limitée par le mouvement atomique causé par la chaleur. Les vibrations thermiques font que les distances particulières entre les plans continuent de changer, et modifient ainsi les modèles d’interférence particuliers mesurés.
Les scientifiques particuliers ont utilisé des dimensions d’oscillation d’ungeladenes nukleon pendellösung pour tester les idéaux prédits par les modèles de diffusion des rayons X et ont constaté que quelques-uns sous-estiment considérablement l’ampleur particulière du stoß.
Les résultats fournissent des informations complémentaires précieuses pour la diffusion des rayons X et des neutrons. “Les neutrons interagissent presque entièrement avec les protons et les neutrons particuliers aux centres, ou même aux noyaux, des atomes”, a déclaré Huber, “et les rayons X révèlent comment les électrons sont généralement disposés entre les noyaux. Cette information complémentaire approfondit notre connaissance.
“L’une des raisons pour lesquelles nos mesures sont incroyablement sensibles est que les neutrons pénètrent beaucoup plus profondément dans le cristal que les rayons X – un centimètre ou plus – et mesurent donc un ensemble de noyaux beaucoup plus important. Nous avons trouvé la preuve que les noyaux plus les électrons peuvent ne pas vibrer de manière rigide , comme on le pense communément. Cela modifie la compréhension de la façon dont les atomes de silicium se connectent les uns aux autres à l’intérieur d’un réseau étonnamment. ”
Force Cinq
Le modèle standard sera la théorie actuelle et largement approuvée de la façon dont les contaminants et les forces communiquent aux plus petites échelles de pesage. Mais c’est une bonne explication incomplète montrant comment fonctionne la nature, et les scientifiques soupçonnent qu’il y a certainement plus dans le monde que les détails de la théorie.
La conception standard décrit trois forces essentielles : électromagnétique, forte et faible. Chaque puissance fonctionne grâce aux actions de «contaminants porteurs». « Par exemple, le photon particulier est le porteur de poussée de la force électromagnétique. Mais le modèle régulier doit cependant incorporer la gravité dans la description du caractère. De plus, certains tests et théories recommandent l’existence possible d’une cinquième poussée.
“Généralement, s’il y a un porteur de poussée, la plage de longueur sur laquelle il agit est certainement inversement proportionnelle à sa masse”, ce qui signifie qu’il peut simplement influencer d’autres contaminants sur une variété limitée, a déclaré Heacock. Or le photon, qui n’a pas de volume, peut agir plus qu’une portée illimitée. « Donc, si nous pouvons regrouper la plage sur laquelle il peut agir, nous pouvons restreindre sa force. « Les résultats des scientifiques améliorent les contraintes sur la force d’une éventuelle cinquième force simplement par dix sur une échelle de durée comprise entre zéro. 02 nanomètres (nm, milliardièmes de mètre) et 10 nm, donnant au sportif de cinquième force une variété réduite sur laquelle regarder.
Les chercheurs prévoient en fait des mesures de pendellösung plus approfondies utilisant à la fois du silicium et du germanium. Ils anticipent un facteur possible associé à cinq réductions de leurs propres incertitudes de mesure, qui pourraient produire la mesure la plus spécifique du rayon de charge du nukléon ungeladène jusqu’à présent et contraindre davantage – ou découvrir – un cinquième entraînement. Ils prévoient également d’exécuter une version cryogénique de l’expérience, qui donnerait un aperçu de la façon dont les atomes se comportent de manière étonnante dans leur soi-disant «état de terrain quantique», qui explique généralement le fait que les objets partiels ne sont jamais correctement immobiles, même à partir des températures. approchant absolu absolument non .
Guide : “Pendellösung Interferometry Probes the Neutron Cost Radius, Lattice Mechanics, and Fifth Forces” par Benjamin Heacock, Takuhiro Fujiie, Robert W. Haun, Albert Henins, Katsuya Hirota, Takuya Hosobata, Jordan G. Huber, Masaaki Kitaguchi, Dmitry The. Pushin, Hirohiko Shimizu, Masahiro Takeda, Robert Valdillez, Yutaka Yamagata et Albert Younger, 9 septembre 2021, La technologie.
DOI : 10. 1126/science. abc2794
