利用美國國家標準與技術研究所（NIST）的一項突破性的新技術，一個由NIST研究人員領導的國際合作團隊揭示了以前未被認識到的對技術至關重要的矽晶體的特性，並發現了有關一種重要的亞原子粒子和長期以來理論上的”自然界第五力”的新資訊。

通過將被稱為中子的亞原子粒子瞄準矽晶體並以高靈敏度監測其結果，NIST的科學家們能夠獲得三個非凡的結果：20年來首次使用一種獨特的方法測量一個關鍵的中子特性;對矽晶體中與熱有關的振動的影響進行最高精度的測量;以及對可能的”第五力”的強度進行限制，使其超出標準物理學理論。

在像矽這樣的規則晶體中，有許多平行的原子片，每個原子片形成一個平面。 用中子探測不同的平面，可以發現晶體的不同方面。

研究人員在《科學》雜誌上報告了他們的發現。

為了在原子尺度上獲得有關晶體材料的資訊，科學家們通常將一束粒子（如X射線、電子或中子）對準晶體，並在它穿過或彈開晶體的格子狀原子幾何形狀的平面時檢測該束的角度、強度和模式。 這些資訊對於表徵微晶元元件和各種新型納米材料的電子、機械和磁性能至關重要，可用於下一代應用，包括量子計算。 我們已經知道了很多，但繼續進步需要越來越詳細的知識。

NIST高級項目科學家Michael Huber說：”對矽的晶體結構有了極大的了解，矽是’通用’的基底或基礎材料，一切都建立在它上面，這對於瞭解在測量的準確性受限於量子效應的點附近運行的元件的性質將是至關重要的。 “

中子、原子和角度

像所有的量子物體一樣，中子同時具有點狀粒子和波的特性。 當一個中子穿過晶體時，它在被稱為Bragg平面的原子行或原子片之間和上面形成駐波（像彈奏的吉他弦）。 當來自這兩條路線中的每一條的波結合起來，或者用物理學的說法是”干涉”，它們就會產生微弱的模式，稱為penDELLösung振蕩，從而提供對中子在晶體內所經歷的力量的洞察力。

“想像一下兩把相同的吉他，”Huber說。 “以同樣的方式撥動它們，當琴弦振動時，驅動其中一把走在有減速帶的路上–即沿著晶格中的原子平面–並驅動另一把走在同樣長度的沒有減速帶的路上–類似於在晶格平面之間移動。 比較兩把吉他的聲音可以告訴我們一些關於減速帶的信息：它們有多大，有多光滑，以及它們是否有有趣的形狀？ “

最新的工作是在馬里蘭州蓋瑟斯堡的NIST中子研究中心（NCNR）進行的，與來自日本、美國和加拿大的研究人員合作，使矽晶體結構的精確測量提高了4倍。

原子核中的每個中子都是由三個稱為誇克的基本粒子組成的。 這三個誇克的電荷之和為零，使其呈電中性。 但這些電荷的分佈是這樣的：正電荷更可能出現在中子的中心，而負電荷則朝外。

不完全中立的中子

在一個引人注目的結果中，科學家們以一種新的方式測量了中子的電「電荷半徑」，其半徑值的不確定性與之前使用其他方法得出的最精確的結果相競爭。 中子是電中性的，正如它們的名字所示。 但是它們是由三個被稱為誇克的基本帶電粒子組成的複合物體，這些粒子具有不同的電氣特性，並不完全均勻分佈。

因此，來自一種誇克的主要負電荷傾向於位於中子的外部，而凈正電荷則位於中心。 這兩個濃度之間的距離就是「電荷半徑」。 這個對基礎物理學很重要的維度，已經被類似類型的實驗所測量，其結果有很大的不同。 新的pendellösung數據不受那些被認為是導致這些差異的因素的影響。

測量帶電環境中的pendellösung振蕩提供了一種測量電荷半徑的獨特方式。 “當中子在晶體中時，它完全在原子電雲內，”NIST的Benjamin Heacock說，他是《科學》論文的第一作者。

“在那裡，由於電荷之間的距離是如此之小，原子間的電場是巨大的，大約是每釐米1億伏。 由於那個非常、非常大的電場，我們的技術對這樣一個事實很敏感，即中子表現得像一個球形的複合粒子，有一個略帶正的核心和一個略帶負的周圍外殼。 “

振動和不確定性

中子的一個有價值的替代方法是X射線散射。 但是它的準確性一直受到由熱引起的原子運動的限制。 熱振動導致晶體平面之間的距離不斷變化，從而改變了被測量的干擾模式。

科學家們採用中子垂線振蕩測量法來測試X射線散射模型所預測的數值，並發現有些模型明顯低估了振動的幅度。

這些結果為X射線和中子散射提供了寶貴的補充資訊。 Huber說：「中子幾乎完全與原子中心或原子核的質子和中子相互作用，而X射線則揭示了電子在原子核之間是如何排列的。 這種互補的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，中子比X射線更深入地穿透晶體–一釐米或更多–從而測量更大的原子核組合。 我們已經發現證據表明，原子核和電子可能並不像通常假設的那樣僵硬地振動。 這改變了我們對矽原子在晶格內如何相互作用的理解。 “

第五種力量

標準模型是目前廣泛接受的關於粒子和力量如何在最小尺度上相互作用的理論。 但這是對自然界如何運作的一個不完整的解釋，科學家們懷疑現實存在比該理論描述的更多。

標準模型描述了自然界中的三種基本力量：電磁力、強力和弱力。 每種力都是通過「載體粒子」的作用而運作的。 例如，光子是電磁力的力的載體。 但標準模型尚未將引力納入其對自然界的描述中。 此外，一些實驗和理論表明，可能存在第五種力。

Heacock說：”一般來說，如果有一個力的載體，它發揮作用的長度尺度與它的品質成反比，”這意味著它只能在有限的範圍內影響其他粒子。 但是沒有品質的光子可以在一個無限的範圍內發揮作用。 因此，如果我們能夠包圍它可能採取行動的範圍，我們就可以限制它的強度。 “科學家們的研究結果在0.02納米（納米，十億分之一米）和10納米之間的長度範圍內將潛在第五力的強度限制提高了十倍，這給了第五力的探尋者們一個更小的範圍。

研究人員已經在計劃使用矽和鍺進行更廣泛的pendellösung測量。 他們預計測量的不確定性可能會減少五倍，這可能會產生迄今為止對中子電荷半徑的最精確測量，並進一步限制–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其所謂的”量子基態”中的行為，這說明量子物體從未完全靜止，即使是在接近絕對零度的溫度下。