當中子穿過晶體時，它們會產生兩種不同的駐波——一種沿原子面，另一種在原子面之間。這些波的相互作用影響中子的路徑，揭示晶體結構的各個方面。來源：NIST
利用美國國家標準與技術研究所（NIST）的一項開創性新技術，由NIST研究人員領導的一項國際合作揭示了在技術上至關重要的矽晶體此前未被承認的特性，並揭示了一種重要的亞原子粒子和長期理論化的第五種自然力的新資訊。
透過將被稱為中子的亞原子粒子對準矽晶體，並以極高的靈敏度監測結果，NIST的科學家們能夠獲得三個不同尋常的結果：20年來首次使用一種獨特的方法測量了一種關鍵的中子性質；在矽晶體中與熱相關振動的影響的最高精度測量；以及對可能存在的“第五種力”強度的限制，超出了標準物理理論。
研究人員在《科學》雜誌上報道了他們的發現。
為了在原子尺度上獲得有關晶體材料的資訊，科學家們通常會將一束粒子（如x射線、電子或中子）對準晶體，並在它穿過晶體的晶格狀原子幾何平面時檢測光束的角度、強度和圖案。
這些資訊對於表徵微晶片元件的電子、機械和磁性特性以及各種新型奈米材料的下一代應用（包括量子計算）至關重要。我們已經知道了很多東西，但要想繼續進步，需要越來越詳細的知識。
“對矽晶體結構的理解大大提高了，矽是構建一切的‘通用’襯底或基礎材料，將對理解在量子效應限制測量精度的點附近工作的元件的本質至關重要，”NIST高階專案科學家Michael Huber說。
中子，原子和角度
像所有的量子物體一樣，中子既有點狀粒子的性質，也有波的性質。當中子穿過晶體時，它會在被稱為布拉格平面的原子行或層之間或層上形成駐波（就像撥絃的吉他弦）。當來自這兩條路徑的波結合在一起，或者用物理學的說法是“干涉”時，它們就會產生稱為pendellösung振盪的微弱模式，這為了解中子在晶體內所受的力提供了線索。
原子核中的每個中子都是由三種稱為夸克的基本粒子組成的。三個夸克的電荷之和為零，使其呈電中性。但是這些電荷的分佈是這樣的，正電荷更有可能出現在中子的中心，而負電荷則朝向外部。來源：NIST
“想象兩把完全相同的吉他，”Huber說。“以同樣的方式撥動它們，當弦振動時，將其中一根弦沿著有速度障礙的道路移動——也就是說，沿著晶格中的原子平面移動——並將另一根弦沿著同樣長度的道路移動，而沒有速度障礙——類似於在晶格平面之間移動。比較兩把吉他的聲音可以讓我們瞭解減速帶：它們有多大，有多平滑，形狀是否有趣？”
位於馬里蘭州蓋瑟斯堡的NIST中子研究中心（NCNR）與來自日本、美國和加拿大的研究人員合作進行的最新工作，使矽晶體結構的精密測量提高了四倍。
Not-quite-neutral中子
在一個驚人的結果中，科學家們用一種新的方法測量了中子的電“電荷半徑”，其半徑值的不確定性與使用其他方法的最精確的先前結果相競爭。中子顧名思義，是電中性的。但它們是由三種被稱為夸克的基本帶電粒子組成的複合物體，這三種粒子具有不同的電特性，並不是完全均勻分佈的。
因此，一種夸克的主要負電荷傾向於位於中子的外部，而淨正電荷則位於中心。這兩種濃度之間的距離就是電荷半徑。這個維度對基礎物理學來說很重要，它已經被類似的實驗測量過，但結果卻大相徑庭。pendellösung的新資料不受被認為導致這些差異的因素的影響。
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。“當中子在晶體中，它就在原子電雲中，”NIST的本傑明·希科克（Benjamin Heacock）說，他是《科學》雜誌論文的第一作者。
“在那裡，因為電荷之間的距離是如此之小，原子間的電場是巨大的，在每釐米1億伏特的數量級。由於磁場非常非常大，我們的技術對這樣一個事實很敏感，即中子的行為就像一個球形複合粒子，其核心略為正，周圍外殼略為負。”
在像矽這樣的規則晶體中，有許多平行的原子片，每片原子構成一個平面。用中子探測不同的平面揭示了晶體的不同方面。來源：NIST
振動和不確定性
x射線散射是替代中子的一種有價值的方法。但它的準確性受到了由熱引起的原子運動的限制。熱振動使晶體平面之間的距離不斷變化，從而改變被測量的干涉圖樣。
科學家們使用了neutron pendellösung振動測量來測試x射線散射模型預測的值，發現一些人明顯低估了振動的幅度。
結果為x射線和中子散射提供了有價值的補充資訊。“中子幾乎完全與原子核中的質子和中子相互作用，”Huber說，“x射線揭示了電子是如何在原子核之間排列的。”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，中子穿透晶體的深度要比x射線深得多——一釐米或更多——因此測量的原子核數量要大得多。我們已經發現了證據，證明原子核和電子可能不象一般假定的那樣劇烈振動。這改變了我們對矽原子在晶格內如何相互作用的理解。”
力五
標準模型是目前被廣泛接受的關於粒子和力在最小尺度上如何相互作用的理論。但它對自然如何運作的解釋並不完整，科學家們懷疑宇宙中還有比該理論所描述的更多的東西。
標準模型描述了自然界的三種基本力：電磁力、強力和弱力。每一種力都透過“載體粒子”的作用來發揮作用。例如，光子是電磁力的載體。但是，標準模型還沒有在描述自然時納入重力。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，如果有一個力載體，它作用的長度與其質量成反比，”這意味著它只能在有限的範圍內影響其他粒子。但是光子沒有質量，它的作用範圍是無限的。“所以，如果我們能確定它可能發揮作用的範圍，我們就能限制它的力量。”科學家們的結果在0。02奈米（奈米，一米的十億分之一）到10奈米的長度範圍內，將潛在的第五種力的強度限制提高了10倍，給了第五種力搜尋者一個更窄的觀測範圍。
研究人員已經計劃使用矽和鍺進行更廣泛的pendellösung測量。他們預計，測量不確定性可能減少5個因素，這可能產生迄今為止最精確的中子電荷半徑測量，並進一步限制-或發現-第五種力。他們還計劃進行一個低溫版本的實驗，這將有助於瞭解晶體原子在所謂的“量子基態”中的行為，這解釋了量子物體即使在接近絕對零度的溫度下也永遠不會完全靜止的事實。
