研究人员用新的新技术，揭示了硅晶体从未被认识的特性

　　一组研究人员利用一项突破性的新技术揭示了以前从未重视过的硅晶体的特性，并发现了关于亚原子粒子和长期以来理论上的第五种力的新信息。
　　美国国家标准与技术研究院的研究人员，领导的国际合作，使用一项开创性的新技术，揭示了硅晶体以前不为人知的特性。
　　这些特性是该技术的关键，并揭示了一个重要的亚原子关于粒子和长期理论第五自然力的新信息。
　　随后研究人员在《科学》杂志上报告了他们的发现。
　　测量过程
　　技术研究院的科学家们通过瞄准硅晶体中称为中子的亚原子粒子并以极高的灵敏度监测结果，他们获得了三个非凡的结果：20年来，第一次用一种独特的方法来测量关键的中子特性；还获得了硅晶体中热相关振动效应的最高精度测量的结果，以及超出标准物理理论的可能＂第五力＂的强度极限。
　　为了在原子尺度上获得有关晶体材料的信息，科学家通常将一束粒子（如X射线、电子或中子）对准晶体，通过晶体晶格状原子几何形状，以检测光束穿过晶体平面的光束的角度、强度和图案。.
　　这些信息对于表征微芯片组件和各种新型纳米材料的电子、机械和磁性特性至关重要，这些纳米材料将用于包括量子计算在内的下一代应用。
　　技术研究院高级项目科学家michaelhuber说：＂现在对硅晶体结构的理解已经大大提高了。这种‘通用’基底或基础材料是一切的基础。这对于理解在量子效应影响限制了测量精度地点附近运行的组件的性质至关重要。
　　虽然我们现在知道的很多，但持续进步还需要更详细的知识。
　　中子特性
　　中子、原子和角度就像所有量子物体一样。中子具有点状粒子和波特性。
　　当中子穿过晶体时，它会形成驻波（就像弹拨的吉他弦一样）。驻波位于两个原子之间和一排或一排原子上方。这些原子被称为布拉格平面。
　　当两条路径的波相互结合，或者用物理学术语来说是＂干涉＂时，它们会产生一种称为pendellösung振荡的弱模式，这种模式提供了洞察中子在晶体中受力的能力。
　　Huber说：＂想象一下两把相同的吉他，以相同的方式拨弦。当琴弦振动时，它们会让一根琴弦沿着有减速带的路走下去，也就是说，沿着晶格中间的原子平面向下走，驱使另一根弦在没有减速带的情况下沿相同长度向下驱动，这就好像是在晶格平面之间移动一样。通过比较两把吉他的声音，我们可以发现减速带的一些特征：它们有多大和有多光滑，以及它们有有趣的形状吗？＂
　　位于马里兰州盖瑟斯堡的美国中子研究中心与来自日本、美国和加拿大的研究人员合作，发现对硅晶体结构的精确测量增加了四倍。
　　令人惊讶的结果是，科学家们用一种新方法来测量中子的电荷半径。其半径值的不确定性与使用其他方法获得的最准确结果相竞争。
　　顾名思义，中子是电中性的。但它们是由三个基本带电粒子组成的复合物体。这三种基本带电粒子称为夸克。它们的电气特性并不完全相同。因此，夸克的主要负电荷通常位于中子之外。而净正电荷则位于中心。
　　这两个浓度之间的距离是＂电荷半径＂的量纲，这对基础物理非常重要。但通过类似的实验测量，结果却大不相同。
　　新的pendellösung数据不受这些因素的影响，这些因素被认为是导致这些离散电荷的原因。在带电环境中测量pendellösung振荡提供了一种测量电荷半径的独特方法。
　　硅晶体
　　技术研究院的BenjaminHeacock说：＂当中子在晶体中时，它完全在原子电云中。在那里，因为电荷之间的距离非常小，原子之间的电场非常大，大约1亿伏特每厘米。因此对于非常非常大的场，我们的技术对中子的行为非常敏感，就像球形束缚态一样，具有略微正的核心和略微负的外壳。＂
　　振动和不确定性中子的另一个有价值的选择是X射线散射。但它的准确性受到热量引起的原子运动的限制。
　　热振动不断地改变晶面之间的距离，从而改变被测干涉图。科学家们使用中子振荡测量来测试X射线散射模型预测的值，发现一些模型严重低估了振动的幅度。这些结果为X射线和中子散射提供了有价值的补充信息。
　　Huber说，＂中子几乎完全与原子核中心的质子和中子相互作用。X射线揭示了原子核之间电子的排列。这种补充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，中子穿透晶体比X射线深得多，因此测得的原子核组合要大得多。我们发现了证据表明原子核和电子可能不会像通常假设的那样剧烈振动。这改变了我们对硅原子如何在晶体格子内相互作用的理解。＂
　　第五力量
　　究竟什么是自然界中的第五力量呢？
　　报道称宇宙中的物质可以被这些力量拉在一起或推开。而
　　决定这一切的事实是，它们似乎不能再被简化为粒子之间更基本的相互作用了。
　　多年来，有许多未经证实的观点声称自然界存在第五种基本力，但长期寻找暗物质的努力都以失败告终。为了填补粒子物理学标准模型无法解释的空白，科学家们更加努力寻找新的力量。
　　五标准力模型是一种被广泛接受的关于粒子和力在最小尺度上相互作用的理论。
　　但这是对自然规律的不完整解释。科学家怀疑宇宙中的事物比理论上所描述的要多。标准模型描述了自然界中的三种基本力：电磁力、强力和弱力。
　　每一种力量都是通过＂载流子＂的作用来运作的。例如，光子是电磁力的载体。但是当标准模型描述自然世界时，并没有考虑重力。此外，一些实验和理论表明可能存在第五种力。
　　希科克说，＂一般来说，如果有一个力载体，其作用的长度尺度与其质量成反比，这意味着它只能影响有限范围内的其他粒子，但没有质量的光子可以无限地工作一个范围内。所以，如果我们能包括它的作用范围，我们就可以限制它的强度。＂
　　科学家的研究成果将第五力的强度限制在0.02纳米到10纳米之间，将第五力的搜索范围缩小了10倍。
　　研究人员已经计划将硅和锗用于更广泛的未来测量。他们预测，测量不确定度可能会降低五个因素，从而可以产生迄今为止最准确的中子电荷半径测量，并且可以进一步限制或发现第五力。
　　他们还计划进行低温版本的实验，这将有助于深入了解晶体原子在所谓的＂量子基态＂中的行为，这解释了量子物体永远不会完全静止，即使在温度接近于绝对零下也是如此。