一組研究人員利用一項突破性的新技術揭示了以前從未重視過的矽晶體的特性，並發現了關於亞原子粒子和長期以來理論上的第五種力的新資訊。
美國國家標準與技術研究院的研究人員，領導的國際合作，使用一項開創性的新技術，揭示了矽晶體以前不為人知的特性。
這些特性是該技術的關鍵，並揭示了一個重要的亞原子關於粒子和長期理論第五自然力的新資訊。
隨後研究人員在《科學》雜誌上報告了他們的發現。
測量過程
技術研究院的科學家們透過瞄準矽晶體中稱為中子的亞原子粒子並以極高的靈敏度監測結果，他們獲得了三個非凡的結果：20年來，第一次用一種獨特的方法來測量關鍵的中子特性；還獲得了矽晶體中熱相關振動效應的最高精度測量的結果，以及超出標準物理理論的可能“第五力”的強度極限。
為了在原子尺度上獲得有關晶體材料的資訊，科學家通常將一束粒子（如X射線、電子或中子）對準晶體，透過晶體晶格狀原子幾何形狀，以檢測光束穿過晶體平面的光束的角度、強度和圖案。.
這些資訊對於表徵微晶片元件和各種新型奈米材料的電子、機械和磁性特性至關重要，這些奈米材料將用於包括量子計算在內的下一代應用。
技術研究院高階專案科學家michaelhuber說：“現在對矽晶體結構的理解已經大大提高了。這種‘通用’基底或基礎材料是一切的基礎。這對於理解在量子效應影響限制了測量精度地點附近執行的元件的性質至關重要。
雖然我們現在知道的很多，但持續進步還需要更詳細的知識。
中子特性
中子、原子和角度就像所有量子物體一樣。中子具有點狀粒子和波特性。
當中子穿過晶體時，它會形成駐波（就像彈撥的吉他弦一樣）。駐波位於兩個原子之間和一排或一排原子上方。這些原子被稱為布拉格平面。
當兩條路徑的波相互結合，或者用物理學術語來說是“干涉”時，它們會產生一種稱為pendellösung振盪的弱模式，這種模式提供了洞察中子在晶體中受力的能力。
Huber說：“想象一下兩把相同的吉他，以相同的方式撥絃。當琴絃振動時，它們會讓一根琴絃沿著有減速帶的路走下去，也就是說，沿著晶格中間的原子平面向下走，驅使另一根弦在沒有減速帶的情況下沿相同長度向下驅動，這就好像是在晶格平面之間移動一樣。透過比較兩把吉他的聲音，我們可以發現減速帶的一些特徵：它們有多大和有多光滑，以及它們有有趣的形狀嗎？”
位於馬里蘭州蓋瑟斯堡的美國中子研究中心與來自日本、美國和加拿大的研究人員合作，發現對矽晶體結構的精確測量增加了四倍。
令人驚訝的結果是，科學家們用一種新方法來測量中子的電荷半徑。其半徑值的不確定性與使用其他方法獲得的最準確結果相競爭。
顧名思義，中子是電中性的。但它們是由三個基本帶電粒子組成的複合物體。這三種基本帶電粒子稱為夸克。它們的電氣特性並不完全相同。因此，夸克的主要負電荷通常位於中子之外。而淨正電荷則位於中心。
這兩個濃度之間的距離是“電荷半徑”的量綱，這對基礎物理非常重要。但透過類似的實驗測量，結果卻大不相同。
新的pendellösung資料不受這些因素的影響，這些因素被認為是導致這些離散電荷的原因。在帶電環境中測量pendellösung振盪提供了一種測量電荷半徑的獨特方法。
矽晶體
技術研究院的BenjaminHeacock說：“當中子在晶體中時，它完全在原子電雲中。在那裡，因為電荷之間的距離非常小，原子之間的電場非常大，大約1億伏特每釐米。因此對於非常非常大的場，我們的技術對中子的行為非常敏感，就像球形束縛態一樣，具有略微正的核心和略微負的外殼。”
振動和不確定性中子的另一個有價值的選擇是X射線散射。但它的準確性受到熱量引起的原子運動的限制。
熱振動不斷地改變晶面之間的距離，從而改變被測干涉圖。科學家們使用中子振盪測量來測試X射線散射模型預測的值，發現一些模型嚴重低估了振動的幅度。這些結果為X射線和中子散射提供了有價值的補充資訊。
Huber說，“中子幾乎完全與原子核中心的質子和中子相互作用。X射線揭示了原子核之間電子的排列。這種補充知識加深了我們的理解。我們的測量如此敏感的一個原因是，中子穿透晶體比X射線深得多，因此測得的原子核組合要大得多。我們發現了證據表明原子核和電子可能不會像通常假設的那樣劇烈振動。這改變了我們對矽原子如何在晶體格子內相互作用的理解。”
第五力量
究竟什麼是自然界中的第五力量呢？
報道稱宇宙中的物質可以被這些力量拉在一起或推開。而
決定這一切的事實是，它們似乎不能再被簡化為粒子之間更基本的相互作用了。
多年來，有許多未經證實的觀點聲稱自然界存在第五種基本力，但長期尋找暗物質的努力都以失敗告終。為了填補粒子物理學標準模型無法解釋的空白，科學家們更加努力尋找新的力量。
五標準力模型是一種被廣泛接受的關於粒子和力在最小尺度上相互作用的理論。
但這是對自然規律的不完整解釋。科學家懷疑宇宙中的事物比理論上所描述的要多。標準模型描述了自然界中的三種基本力：電磁力、強力和弱力。
每一種力量都是透過“載流子”的作用來運作的。例如，光子是電磁力的載體。但是當標準模型描述自然世界時，並沒有考慮重力。此外，一些實驗和理論表明可能存在第五種力。
希科克說，“一般來說，如果有一個力載體，其作用的長度尺度與其質量成反比，這意味著它只能影響有限範圍內的其他粒子，但沒有質量的光子可以無限地工作一個範圍內。所以，如果我們能包括它的作用範圍，我們就可以限制它的強度。”
科學家的研究成果將第五力的強度限制在0.02奈米到10奈米之間，將第五力的搜尋範圍縮小了10倍。
研究人員已經計劃將矽和鍺用於更廣泛的未來測量。他們預測，測量不確定度可能會降低五個因素，從而可以產生迄今為止最準確的中子電荷半徑測量，並且可以進一步限制或發現第五力。
他們還計劃進行低溫版本的實驗，這將有助於深入瞭解晶體原子在所謂的“量子基態”中的行為，這解釋了量子物體永遠不會完全靜止，即使在溫度接近於絕對零下也是如此。
