利用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的一項(xiàng)突破性的新技術(shù)，一個(gè)由NIST研究人員領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團(tuán)隊(duì)揭示了以前未被認(rèn)識(shí)到的對(duì)技術(shù)至關(guān)重要的硅晶體的特性，并發(fā)現(xiàn)了有關(guān)一種重要的亞原子粒子和長(zhǎng)期以來理論上的“自然界第五力”的新信息。

通過將被稱為中子的亞原子粒子瞄準(zhǔn)硅晶體并以高靈敏度監(jiān)測(cè)其結(jié)果，NIST的科學(xué)家們能夠獲得三個(gè)非凡的結(jié)果：20年來首次使用一種獨(dú)特的方法測(cè)量一個(gè)關(guān)鍵的中子特性；對(duì)硅晶體中與熱有關(guān)的振動(dòng)的影響進(jìn)行最高精度的測(cè)量；以及對(duì)可能的"第五力"的強(qiáng)度進(jìn)行限制，使其超出標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué)理論。

在像硅這樣的規(guī)則晶體中，有許多平行的原子片，每個(gè)原子片形成一個(gè)平面。用中子探測(cè)不同的平面，可以發(fā)現(xiàn)晶體的不同方面。

研究人員在《科學(xué)》雜志上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。

為了在原子尺度上獲得有關(guān)晶體材料的信息，科學(xué)家們通常將一束粒子（如X射線、電子或中子）對(duì)準(zhǔn)晶體，并在它穿過或彈開晶體的格子狀原子幾何形狀的平面時(shí)檢測(cè)該束的角度、強(qiáng)度和模式。這些信息對(duì)于表征微芯片組件和各種新型納米材料的電子、機(jī)械和磁性能至關(guān)重要，可用于下一代應(yīng)用，包括量子計(jì)算。我們已經(jīng)知道了很多，但繼續(xù)進(jìn)步需要越來越詳細(xì)的知識(shí)。

NIST高級(jí)項(xiàng)目科學(xué)家Michael Huber說："對(duì)硅的晶體結(jié)構(gòu)有了極大的了解，硅是'通用'的基底或基礎(chǔ)材料，一切都建立在它上面，這對(duì)于了解在測(cè)量的準(zhǔn)確性受限于量子效應(yīng)的點(diǎn)附近運(yùn)行的組件的性質(zhì)將是至關(guān)重要的。"

中子、原子和角度

像所有的量子物體一樣，中子同時(shí)具有點(diǎn)狀粒子和波的特性。當(dāng)一個(gè)中子穿過晶體時(shí)，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(dāng)來自這兩條路線中的每一條的波結(jié)合起來，或者用物理學(xué)的說法是"干涉"，它們就會(huì)產(chǎn)生微弱的模式，稱為penDELLösung振蕩，從而提供對(duì)中子在晶體內(nèi)所經(jīng)歷的力量的洞察力。

"想象一下兩把相同的吉他，"Huber說。"以同樣的方式撥動(dòng)它們，當(dāng)琴弦振動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)其中一把走在有減速帶的路上--即沿著晶格中的原子平面--并驅(qū)動(dòng)另一把走在同樣長(zhǎng)度的沒有減速帶的路上--類似于在晶格平面之間移動(dòng)。比較兩把吉他的聲音可以告訴我們一些關(guān)于減速帶的信息：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(jìn)行的，與來自日本、美國和加拿大的研究人員合作，使硅晶體結(jié)構(gòu)的精確測(cè)量提高了4倍。

原子核中的每個(gè)中子都是由三個(gè)稱為夸克的基本粒子組成的。這三個(gè)夸克的電荷之和為零，使其呈電中性。但這些電荷的分布是這樣的：正電荷更可能出現(xiàn)在中子的中心，而負(fù)電荷則朝外。

不完全中立的中子

在一個(gè)引人注目的結(jié)果中，科學(xué)家們以一種新的方式測(cè)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(jié)果相競(jìng)爭(zhēng)。中子是電中性的，正如它們的名字所示。但是它們是由三個(gè)被稱為夸克的基本帶電粒子組成的復(fù)合物體，這些粒子具有不同的電氣特性，并不完全均勻分布。

因此，來自一種夸克的主要負(fù)電荷傾向于位于中子的外部，而凈正電荷則位于中心。這兩個(gè)濃度之間的距離就是"電荷半徑"。這個(gè)對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)很重要的維度，已經(jīng)被類似類型的實(shí)驗(yàn)所測(cè)量，其結(jié)果有很大的不同。新的pendellösung數(shù)據(jù)不受那些被認(rèn)為是導(dǎo)致這些差異的因素的影響。

測(cè)量帶電環(huán)境中的pendellösung振蕩提供了一種測(cè)量電荷半徑的獨(dú)特方式。"當(dāng)中子在晶體中時(shí)，它完全在原子電云內(nèi)，"NIST的Benjamin Heacock說，他是《科學(xué)》論文的第一作者。

"在那里，由于電荷之間的距離是如此之小，原子間的電場(chǎng)是巨大的，大約是每厘米1億伏。由于那個(gè)非常、非常大的電場(chǎng)，我們的技術(shù)對(duì)這樣一個(gè)事實(shí)很敏感，即中子表現(xiàn)得像一個(gè)球形的復(fù)合粒子，有一個(gè)略帶正的核心和一個(gè)略帶負(fù)的周圍外殼。"

振動(dòng)和不確定性

中子的一個(gè)有價(jià)值的替代方法是X射線散射。但是它的準(zhǔn)確性一直受到由熱引起的原子運(yùn)動(dòng)的限制。熱振動(dòng)導(dǎo)致晶體平面之間的距離不斷變化，從而改變了被測(cè)量的干擾模式。

科學(xué)家們采用中子垂線振蕩測(cè)量法來測(cè)試X射線散射模型所預(yù)測(cè)的數(shù)值，并發(fā)現(xiàn)有些模型明顯低估了振動(dòng)的幅度。

這些結(jié)果為X射線和中子散射提供了寶貴的補(bǔ)充信息。Huber說："中子幾乎完全與原子中心或原子核的質(zhì)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(bǔ)的知識(shí)加深了我們的理解。"

"我們的測(cè)量如此敏感的一個(gè)原因是，中子比X射線更深入地穿透晶體--一厘米或更多--從而測(cè)量更大的原子核組合。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)證據(jù)表明，原子核和電子可能并不像通常假設(shè)的那樣僵硬地振動(dòng)。這改變了我們對(duì)硅原子在晶格內(nèi)如何相互作用的理解。"

第五種力量

標(biāo)準(zhǔn)模型是目前廣泛接受的關(guān)于粒子和力量如何在最小尺度上相互作用的理論。但這是對(duì)自然界如何運(yùn)作的一個(gè)不完整的解釋，科學(xué)家們懷疑現(xiàn)實(shí)存在比該理論描述的更多。

標(biāo)準(zhǔn)模型描述了自然界中的三種基本力量：電磁力、強(qiáng)力和弱力。每種力都是通過"載體粒子"的作用而運(yùn)作的。例如，光子是電磁力的力的載體。但標(biāo)準(zhǔn)模型尚未將引力納入其對(duì)自然界的描述中。此外，一些實(shí)驗(yàn)和理論表明，可能存在第五種力。

Heacock說："一般來說，如果有一個(gè)力的載體，它發(fā)揮作用的長(zhǎng)度尺度與它的質(zhì)量成反比，"這意味著它只能在有限的范圍內(nèi)影響其他粒子。但是沒有質(zhì)量的光子可以在一個(gè)無限的范圍內(nèi)發(fā)揮作用。因此，如果我們能夠包圍它可能采取行動(dòng)的范圍，我們就可以限制它的強(qiáng)度。"科學(xué)家們的研究結(jié)果在0.02納米（納米，十億分之一米）和10納米之間的長(zhǎng)度范圍內(nèi)將潛在第五力的強(qiáng)度限制提高了十倍，這給了第五力的探尋者們一個(gè)更小的范圍。

研究人員已經(jīng)在計(jì)劃使用硅和鍺進(jìn)行更廣泛的pendellösung測(cè)量。他們預(yù)計(jì)測(cè)量的不確定性可能會(huì)減少五倍，這可能會(huì)產(chǎn)生迄今為止對(duì)中子電荷半徑的最精確測(cè)量，并進(jìn)一步限制--或發(fā)現(xiàn)--第五力。他們還計(jì)劃進(jìn)行低溫版本的實(shí)驗(yàn)，這將有助于深入了解晶體原子在其所謂的"量子基態(tài)"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(duì)零度的溫度下。