Usando uma técnica nova e inovadora no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), uma colaboração internacional liderada por pesquisadores do NIST revelou propriedades anteriormente não reconhecidas de cristais de silício tecnologicamente cruciais e descobriu novas informações sobre uma importante partícula subatômica e uma quinta força da natureza há muito teorizada.

Visando partículas subatômicas conhecidas como nêutrons em cristais de silício e monitorando o resultado com sensibilidade requintada, os cientistas do NIST foram capazes de obter três resultados extraordinários:a primeira medição de uma propriedade chave de nêutrons em 20 anos usando um método único; as medições de mais alta precisão dos efeitos das vibrações relacionadas ao calor em um cristal de silício; e limites na força de uma possível "quinta força" além das teorias da física padrão.

Os pesquisadores relatam suas descobertas no jornal Ciência .

Para obter informações sobre materiais cristalinos em escala atômica, os cientistas normalmente apontam um feixe de partículas (como raios-X, elétrons ou nêutrons) no cristal e detectar os ângulos do feixe, intensidades e padrões conforme ele passa ou ricocheteia nos planos na geometria atômica semelhante a uma rede do cristal.

Essa informação é extremamente importante para caracterizar o eletrônico, propriedades mecânicas e magnéticas de componentes de microchip e vários novos nanomateriais para aplicações de próxima geração, incluindo computação quântica. Muita coisa já se sabe, mas o progresso contínuo requer conhecimento cada vez mais detalhado.

"Uma compreensão amplamente aprimorada da estrutura cristalina do silício, o substrato "universal" ou material de base sobre o qual tudo é construído, será crucial para a compreensão da natureza dos componentes que operam perto do ponto em que a precisão das medições é limitada por efeitos quânticos, "disse o cientista sênior do projeto do NIST, Michael Huber.

Nêutrons, átomos e ângulos

Como todos os objetos quânticos, nêutrons têm propriedades tanto de partícula como de onda. Conforme um nêutron viaja através do cristal, ele forma ondas estacionárias (como uma corda de violão dedilhada) tanto no meio quanto no topo de fileiras ou folhas de átomos chamadas de planos de Bragg. Quando as ondas de cada uma das duas rotas se combinam, ou "interferir" no jargão da física, eles criam padrões tênues chamados oscilações pendellösung que fornecem insights sobre as forças que os nêutrons experimentam dentro do cristal.

"Imagine duas guitarras idênticas, "disse Huber." Arrancá-los da mesma maneira, e como as cordas vibram, conduza um por uma estrada com lombadas, isto é, ao longo dos planos dos átomos na rede - e conduzem o outro por uma estrada do mesmo comprimento, sem lombadas - análogo a se mover entre os planos da rede. Comparar os sons de ambas as guitarras nos diz algo sobre os redutores de velocidade:como são grandes, que bom, e eles têm formas interessantes? "

O trabalho mais recente, que foi conduzido no NIST Center for Neutron Research (NCNR) em Gaithersburg, Maryland, em colaboração com pesquisadores do Japão, os EUA e Canadá, resultou em uma melhoria de quatro vezes na medição de precisão da estrutura do cristal de silício.

Nêutrons não totalmente neutros

Em um resultado marcante, os cientistas mediram o "raio de carga" elétrico do nêutron de uma nova maneira, com uma incerteza no valor do raio competitivo com os resultados anteriores mais precisos usando outros métodos. Os nêutrons são eletricamente neutros, como seu nome sugere. Mas eles são objetos compostos feitos de três partículas elementares carregadas chamadas quarks com diferentes propriedades elétricas que não são exatamente uniformemente distribuídas.

Como resultado, carga predominantemente negativa de um tipo de quark tende a estar localizada em direção à parte externa do nêutron, enquanto a carga positiva líquida está localizada em direção ao centro. A distância entre essas duas concentrações é o "raio de carga". Essa dimensão, importante para a física fundamental, foi medido por tipos semelhantes de experimentos cujos resultados diferem significativamente. Os novos dados da pendellösung não são afetados pelos fatores que podem levar a essas discrepâncias.

Medir as oscilações pendellösung em um ambiente eletricamente carregado fornece uma maneira única de medir o raio de carga. "Quando o nêutron está no cristal, está bem dentro da nuvem elétrica atômica, "disse Benjamin Heacock, do NIST, o primeiro autor no Ciência papel.

"Lá, porque as distâncias entre as cargas são tão pequenas, os campos elétricos interatômicos são enormes, da ordem de cem milhões de volts por centímetro. Por causa disso mesmo, campo muito grande, nossa técnica é sensível ao fato de que o nêutron se comporta como uma partícula composta esférica com um núcleo ligeiramente positivo e uma camada circundante ligeiramente negativa. "

Vibrações e incertezas

Uma alternativa valiosa aos nêutrons é o espalhamento de raios-X. Mas sua precisão foi limitada pelo movimento atômico causado pelo calor. A vibração térmica faz com que as distâncias entre os planos de cristal continuem mudando, e, portanto, altera os padrões de interferência que estão sendo medidos.

Os cientistas empregaram medições de oscilação pendellösung de nêutrons para testar os valores previstos por modelos de espalhamento de raios-X e descobriram que alguns subestimam significativamente a magnitude da vibração.

Os resultados fornecem informações complementares valiosas para espalhamento de raios-X e de nêutrons. "Os nêutrons interagem quase inteiramente com os prótons e nêutrons nos centros, ou núcleos, dos átomos, "Huber disse, "e os raios X revelam como os elétrons estão dispostos entre os núcleos. Esse conhecimento complementar aprofunda nosso entendimento.

"Um dos motivos pelos quais nossas medições são tão sensíveis é que os nêutrons penetram muito mais profundamente no cristal do que os raios X - um centímetro ou mais - e, portanto, medem um conjunto muito maior de núcleos. Encontramos evidências de que os núcleos e elétrons podem não vibrar rigidamente , como é comumente assumido. Isso muda nossa compreensão sobre como os átomos de silício interagem uns com os outros dentro de uma estrutura de cristal. "

Força cinco

O modelo padrão é o atual, teoria amplamente aceita de como partículas e forças interagem em escalas menores. Mas é uma explicação incompleta de como a natureza funciona, e os cientistas suspeitam que haja mais no universo do que a teoria descreve.

O Modelo Padrão descreve três forças fundamentais da natureza:eletromagnética, forte e fraco. Cada força opera por meio da ação de "partículas portadoras". Por exemplo, o fóton é o portador de força para a força eletromagnética. Mas o modelo padrão ainda não incorporou a gravidade em sua descrição da natureza. Além disso, alguns experimentos e teorias sugerem a possível presença de uma quinta força.

"Geralmente, se houver um portador de força, a escala de comprimento sobre a qual atua é inversamente proporcional à sua massa, "o que significa que só pode influenciar outras partículas em um intervalo limitado, Disse Heacock. Mas o fóton, que não tem massa, pode atuar em um alcance ilimitado. "Então, se pudermos colocar o intervalo sobre o qual ele pode atuar, podemos limitar sua força. "Os resultados dos cientistas melhoram as restrições à força de uma quinta força potencial em dez vezes em uma escala de comprimento entre 0,02 nanômetros (nm, bilionésimos de metro) e 10 nm, dando aos caçadores da quinta força um alcance estreito para olhar.

Os pesquisadores já estão planejando medições pendellösung mais expansivas usando silício e germânio. Eles esperam um possível fator de cinco redução em suas incertezas de medição, que poderia produzir a medição mais precisa do raio da carga de nêutrons até agora e ainda restringir - ou descobrir - uma quinta força. Eles também planejam realizar uma versão criogênica do experimento, que daria uma visão de como os átomos de cristal se comportam em seu chamado "estado fundamental quântico, "o que explica o fato de que os objetos quânticos nunca estão perfeitamente parados, mesmo em temperaturas próximas do zero absoluto.