Utilizzando una nuova tecnica rivoluzionaria presso il National Institute of Standards and Technology (NIST), una collaborazione internazionale guidata dai ricercatori del NIST ha rivelato proprietà precedentemente non riconosciute di cristalli di silicio tecnologicamente cruciali e ha scoperto nuove informazioni su un’importante particella subatomica e una quinta forza a lungo teorizzata di natura.
Puntando particelle subatomiche note come neutroni sui cristalli di silicio e monitorando il risultato con una sensibilità squisita, gli scienziati del NIST sono stati in grado di ottenere tre risultati straordinari: la prima misurazione di una proprietà chiave dei neutroni in 20 anni utilizzando un metodo unico; le misurazioni di massima precisione degli effetti delle vibrazioni legate al calore in un cristallo di silicio; e i limiti alla forza di una possibile “quinta forza“ oltre le teorie fisiche standard. I risultati sono stati riportati sulla rivista Science.
Per ottenere informazioni sui materiali cristallini su scala atomica, gli scienziati in genere puntano un raggio di particelle (come raggi X, elettroni o neutroni), sul cristallo e rilevano gli angoli, le intensità e i modelli del raggio mentre attraversa o rimbalza piani nella geometria atomica reticolare del cristallo.
Tali informazioni sono di fondamentale importanza per caratterizzare le proprietà elettroniche, meccaniche e magnetiche dei componenti dei microchip e di vari nuovi nanomateriali per applicazioni di prossima generazione, compreso il calcolo quantistico . Si sa già molto, ma il progresso continuo richiede una conoscenza sempre più dettagliata.
“Una comprensione notevolmente migliorata della struttura cristallina del silicio, il substrato ‘universale’ o il materiale di base su cui tutto è costruito, sarà cruciale per comprendere la natura dei componenti che operano vicino al punto in cui l’ accuratezza delle misurazioni è limitata dagli effetti quantistici “, ha affermato Michael Huber, scienziato senior del progetto NIST.
Neutroni, atomi e angoli
Come tutti gli oggetti quantistici, i neutroni hanno proprietà sia di particelle puntiformi che di onde. Quando un neutrone viaggia attraverso il cristallo, forma onde stazionarie (come una corda di chitarra pizzicata), sia sopra che tra i file o fogli di atomi chiamati piani di Bragg. Quando le onde provenienti da ciascuna delle due rotte si combinano, o “interferiscono” nel linguaggio della fisica, creano modelli deboli chiamati oscillazioni pendellösung che forniscono informazioni sulle forze che i neutroni sperimentano all’interno del cristallo.
“Immagina due chitarre identiche”, ha affermato Huber. “Prendile allo stesso modo, e mentre le corde vibrano, guidane una lungo una strada con dossi – cioè lungo i piani degli atomi nel reticolo – e guida l’altro lungo una strada della stessa lunghezza senza dossi – analogo allo spostamento tra i piani del reticolo. Il confronto dei suoni di entrambe le chitarre ci dice qualcosa sui dossi: quanto sono grandi, quanto sono lisci e hanno forme interessanti?”
L’ultimo lavoro, condotto presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni (NCNR) di Gaithersburg, nel Maryland, in collaborazione con ricercatori provenienti da Giappone, Stati Uniti e Canada, ha portato a un miglioramento di quattro volte nella misurazione della precisione della struttura del cristallo di silicio.
Neutroni non del tutto neutri
In un risultato sorprendente, gli scienziati hanno misurato il “raggio di carica” elettrica del neutrone in un modo nuovo con un’incertezza nel valore del raggio competitiva con i risultati precedenti più precisi utilizzando altri metodi. I neutroni sono elettricamente neutri, come suggerisce il nome. Ma sono oggetti compositi formati da tre particelle elementari cariche chiamate quark con proprietà elettriche diverse che non sono esattamente distribuite uniformemente.
Di conseguenza, la carica prevalentemente negativa di un tipo di quark tende a trovarsi verso la parte esterna del neutrone, mentre la carica netta positiva si trova verso il centro. La distanza tra queste due concentrazioni è il “raggio di carica“. Quella dimensione, importante per la fisica fondamentale, è stata misurata da tipi simili di esperimenti i cui risultati differiscono significativamente. I nuovi dati pendellösung non sono influenzati dai fattori che si ritiene abbiano portato a queste discrepanze.
La misurazione delle oscillazioni pendellösung in un ambiente caricato elettricamente fornisce un modo unico per misurare il raggio di carica. “Quando il neutrone è nel cristallo, è ben all’interno della nube elettrica atomica”, ha affermato Benjamin Heacock del NIST, il primo autore dell’articolo su Science .
“Lì dentro, poiché le distanze tra le cariche sono così piccole, i campi elettrici interatomici sono enormi, dell’ordine di cento milioni di volt per centimetro. A causa di quel campo molto, molto ampio, la nostra tecnica è sensibile al fatto che il neutrone si comporta come una particella composita sferica con un nucleo leggermente positivo e un guscio circostante leggermente negativo“.
Vibrazioni e incertezza
Una valida alternativa ai neutroni è la diffusione dei raggi X. Ma la sua precisione è stata limitata dal movimento atomico causato dal calore. La vibrazione termica fa sì che le distanze tra i piani di cristallo continuino a cambiare e quindi modificano i modelli di interferenza misurati.
Gli scienziati hanno utilizzato misurazioni dell’oscillazione pendellösung di neutroni per testare i valori previsti dai modelli di diffusione dei raggi X e hanno scoperto che alcuni sottovalutano significativamente l’entità della vibrazione.
I risultati forniscono preziose informazioni complementari sia per la diffusione di raggi X che di neutroni. “I neutroni interagiscono quasi interamente con i protoni e i neutroni nei centri, o nuclei, degli atomi“, ha detto Huber, “e i raggi X rivelano come gli elettroni sono disposti tra i nuclei. Questa conoscenza complementare approfondisce la nostra comprensione”.
“Una ragione per cui le nostre misurazioni sono così sensibili è che i neutroni penetrano molto più in profondità nel cristallo rispetto ai raggi X – un centimetro o più – e quindi misurano un insieme di nuclei molto più grande. Abbiamo trovato prove che i nuclei e gli elettroni potrebbero non vibrare rigidamente, come comunemente si presume. Ciò sposta la nostra comprensione sul modo in cui gli atomi di silicio interagiscono tra loro all’interno di un reticolo cristallino”.
Quinta forza
Il Modello Standard è la teoria corrente e ampiamente accettata di come le particelle e le forze interagiscono alle scale più piccole. Ma è una spiegazione incompleta di come funziona la natura, e gli scienziati sospettano che ci sia di più nell’universo di quanto la teoria descriva.
Il Modello Standard descrive tre forze fondamentali in natura: elettromagnetica, forte e debole. Ogni forza opera attraverso l’azione di “particelle portatrici”. Ad esempio, il fotone è il vettore di forza per la forza elettromagnetica. Ma il Modello Standard deve ancora incorporare la gravità nella sua descrizione della natura. Inoltre, alcuni esperimenti e teorie suggeriscono la possibile presenza di una quinta forza.
“In generale, se c’è un vettore di forza, la scala di lunghezza su cui agisce è inversamente proporzionale alla sua massa“, il che significa che può influenzare solo altre particelle su un intervallo limitato, ha detto Heacock. Ma il fotone, che non ha massa, può agire su un raggio illimitato. “Quindi, se possiamo delimitare l’intervallo entro il quale potrebbe agire, possiamo limitarne la forza”. I risultati degli scienziati migliorano i vincoli sulla forza di una potenziale quinta forza di dieci volte su una scala di lunghezza compresa tra 0,02 nanometri (nm, miliardesimi di metro) e 10 nm, dando ai cacciatori di quinta forza un intervallo ristretto su cui guardare.
I ricercatori stanno già pianificando misurazioni pendellösung più estese utilizzando sia silicio che germanio. Si aspettano un possibile fattore di riduzione di cinque nelle loro incertezze di misurazione, che potrebbe produrre la misurazione più precisa del raggio di carica di neutroni fino ad oggi e limitare ulteriormente – o scoprire – una quinta forza. Hanno anche in programma di eseguire una versione criogenica dell’esperimento, che fornirebbe informazioni su come si comportano gli atomi di cristallo nel loro cosiddetto “stato fondamentale quantistico“, che spiega il fatto che gli oggetti quantistici non sono mai perfettamente fermi, anche a temperature che si avvicinano allo zero assoluto.
