Usando 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 desconocidas de cristales de silicio tecnológicamente cruciales y ha descubierto nueva información sobre una importante partícula subatómica y una quinta fuerza de la naturaleza teorizada desde hace mucho tiempo.

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 utilizando un método único; las mediciones de la más alta precisión de los efectos de las vibraciones relacionadas con el calor en un cristal de silicio; y límites a la fuerza de una posible "quinta fuerza" más allá de las teorías físicas estándar.

Los investigadores informan sus hallazgos en la revista. Ciencias .

Para obtener información sobre materiales cristalinos a escala atómica, Los científicos suelen apuntar un haz de partículas (como rayos X, electrones o neutrones) en el cristal y detectan los ángulos del haz, intensidades y patrones a medida que atraviesa o rebota en planos en la geometría atómica enrejada del cristal.

Esa información es de vital importancia para caracterizar la electrónica, propiedades mecánicas y magnéticas de 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 o material de base 'universal' 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 por los efectos 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. Mientras un neutrón viaja a través del cristal, forma ondas estacionarias (como una cuerda de guitarra pulsada) tanto en el medio como en la parte superior de filas u hojas de átomos llamados planos de Bragg. Cuando las olas de cada una de las dos rutas se combinan, o "interferir" 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.

"Imagina dos guitarras idénticas, "dijo Huber." Arranca de la misma manera, y como vibran las cuerdas, conducir uno por una carretera con badenes, es decir, a lo largo de los planos de los átomos en la red (y conducir al otro por una carretera de la misma longitud sin los topes de velocidad) de forma análoga a moverse entre los planos de la red. La comparación de los sonidos de ambas guitarras nos dice algo sobre los topes de velocidad:qué tan grandes son, que suave y tienen formas interesantes? "

El último trabajo, que se llevó a cabo en el Centro NIST de Investigación de Neutrones (NCNR) en Gaithersburg, Maryland, en colaboración con investigadores de Japón, EE. UU. y Canadá, resultó en una mejora de cuatro veces en la medición de precisión de la estructura del cristal de silicio.

Neutrones no del todo neutros

En un resultado sorprendente, los científicos midieron el "radio de carga" eléctrico del neutrón de una nueva forma con una incertidumbre en el valor del radio competitivo con los resultados anteriores más precisos utilizando otros métodos. Los neutrones son eléctricamente neutros, como sugiere su nombre. Pero son objetos compuestos formados por tres partículas cargadas elementales llamadas quarks con diferentes propiedades eléctricas que no están distribuidas exactamente 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". Esa 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 del pendellösung en un entorno con carga eléctrica 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 de NIST, el primer autor en el Ciencias papel.

"Ahí, porque las distancias entre cargas son tan pequeñas, los campos eléctricos interatómicos son enormes, del orden de cien millones de voltios por centímetro. Por eso mismo campo muy grande, nuestra técnica es sensible al hecho de que el 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 de cristal sigan cambiando, y así cambia los patrones de interferencia que se están midiendo.

Los científicos emplearon medidas 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, "Huber dijo, "y los rayos X revelan cómo se organizan los electrones 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 electrones pueden no vibrar 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 el actual, teoría 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 mediante la acción de "partículas portadoras". Por ejemplo, el fotón es el portador de fuerza de la fuerza electromagnética. Pero el Modelo Estándar aún tiene que incorporar la gravedad en su descripción de la naturaleza. Es más, 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. "Entonces, si podemos poner entre paréntesis 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 en diez veces en una escala de longitud entre 0.02 nanómetros (nm, mil millonésimas de metro) y 10 nm, dando a los cazadores de la quinta fuerza un rango reducido sobre el cual mirar.

Los investigadores ya están planeando mediciones de pendellösung más expansivas 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, o descubrir, una quinta fuerza. También planean realizar una versión criogénica del experimento, lo 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 están perfectamente quietos, incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto.