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Utilizando una nueva técnica innovadora del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST), una colaboración internacional dirigida por investigadores del NIST ha revelado propiedades no reconocidas anteriormente de cristales de silicio tecnológicamente cruciales y ha descubierto nueva información sobre una importante partícula subatómica y una quinta fuerza de la naturaleza teorizada desde hace tiempo.
Al dirigir las partículas subatómicas conocidas como neutrones a los cristales de silicio y controlar el resultado con una sensibilidad exquisita, los científicos del NIST pudieron obtener tres resultados extraordinarios: la primera medición de una propiedad clave de los neutrones en 20 años utilizando un método único; las mediciones de mayor precisión de los efectos de las vibraciones relacionadas con el calor en un cristal de silicio; y los límites de la fuerza de una posible "quinta fuerza" más allá de las teorías de la física estándar.
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| Cuando los neutrones atraviesan un cristal, crean dos ondas estacionarias diferentes: una a lo largo de los planos atómicos y otra entre ellos. La interacción de estas ondas afecta a la trayectoria del neutrón, revelando aspectos de la estructura del cristal. Crédito: NIST |
Los investigadores publican sus resultados en la revista Science.
Para obtener información sobre los materiales cristalinos a escala atómica, los científicos suelen dirigir un haz de partículas (como rayos X, electrones o neutrones) hacia el cristal y detectar los ángulos, intensidades y patrones del haz a su paso o rebote en los planos de la geometría atómica del cristal.
Esta información es de vital importancia para caracterizar las propiedades electrónicas, mecánicas y magnéticas de los componentes de los microchips y de diversos nanomateriales novedosos para aplicaciones de próxima generación, como la computación cuántica. Ya se sabe mucho, pero el progreso continuo requiere un conocimiento cada vez más detallado.
"Una comprensión enormemente mejorada de la estructura cristalina del silicio, el sustrato "universal" o material de base sobre el que se construye todo, será crucial para entender la naturaleza de los componentes que operan cerca del punto en el que la precisión de las mediciones está limitada por los efectos cuánticos", dijo el científico principal del proyecto del NIST, Michael Huber.
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| En un cristal regular como el silicio, hay muchas láminas paralelas de átomos, cada una de las cuales forma un plano. El sondeo de diferentes planos con neutrones revela diferentes aspectos del cristal. Crédito: NIST |
Neutrones, átomos y ángulos
Como todos los objetos cuánticos, los neutrones tienen propiedades tanto de partículas puntuales como de ondas. Cuando un neutrón viaja a través del cristal, forma ondas estacionarias (como una cuerda de guitarra pulsada) tanto entre las filas o láminas de átomos llamadas planos de Bragg como encima de ellas. Cuando las ondas de cada una de las dos rutas se combinan, o "interfieren" en la jerga de la física, crean patrones tenues denominados oscilaciones pendellösung que proporcionan información sobre las fuerzas que experimentan los neutrones dentro del cristal.
"Imagínese dos guitarras idénticas", dice Huber. "Despiértenlas de la misma manera y, mientras las cuerdas vibran, conduzcan una por una carretera con badenes -es decir, a lo largo de los planos de los átomos de la red- y conduzcan la otra por una carretera de la misma longitud sin los badenes -análoga al movimiento entre los planos de la red-. La comparación de los sonidos de ambas guitarras nos dice algo sobre los badenes: su tamaño, su suavidad y si tienen formas interesantes".
El último trabajo, realizado en el Centro de Investigación de Neutrones (NCNR) del NIST en Gaithersburg (Maryland), en colaboración con investigadores de Japón, Estados Unidos y Canadá, ha permitido cuadruplicar la precisión de la medición de la estructura del cristal de silicio.
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| Cada neutrón de un núcleo atómico está formado por tres partículas elementales llamadas quarks. La carga eléctrica de los tres quarks suma cero, por lo que es eléctricamente neutro. Pero la distribución de esas cargas es tal que es más probable que las cargas positivas se encuentren en el centro del neutrón, y las negativas hacia el exterior. Crédito: NIST |
Neutrones no del todo neutros
En un resultado sorprendente, los científicos midieron el "radio de carga" eléctrica del neutrón de una forma nueva, con una incertidumbre en el valor del radio que compite con los resultados anteriores más precisos obtenidos con otros métodos. Los neutrones son eléctricamente neutros, como su nombre indica. Pero son objetos compuestos formados por tres partículas elementales cargadas llamadas quarks con diferentes propiedades eléctricas que no están distribuidas exactamente de forma uniforme.
Como resultado, la carga predominantemente negativa de un tipo de quark tiende a localizarse hacia la parte exterior del neutrón, mientras que la carga neta positiva se localiza hacia el centro. La distancia entre esas dos concentraciones es el "radio de carga". Esa dimensión, importante para la física fundamental, ha sido medida por tipos de experimentos similares cuyos resultados difieren significativamente. Los nuevos datos del pendellösung no se ven afectados por los factores que se cree que provocan estas discrepancias.
La medición de las oscilaciones del pendellösung en un entorno cargado eléctricamente proporciona una forma única de medir el radio de carga. "Cuando el neutrón está en el cristal, se encuentra bien dentro de la nube eléctrica atómica", dijo Benjamin Heacock del NIST, primer autor del artículo de Science.
"Allí, como las distancias entre las cargas son tan pequeñas, los campos eléctricos interatómicos son enormes, del orden de cien millones de voltios por centímetro. Debido a ese campo tan, tan grande, nuestra técnica es sensible al hecho de que el neutrón se comporta como una partícula esférica compuesta con un núcleo ligeramente positivo y una cáscara circundante ligeramente negativa."
Vibraciones e incertidumbre
Una valiosa alternativa a los neutrones es la dispersión de rayos X. Pero su precisión se ha visto limitada por el movimiento atómico causado por el calor. La vibración térmica hace que las distancias entre los planos de los cristales cambien constantemente y, por tanto, modifica los patrones de interferencia que se miden.
Los científicos emplearon mediciones de oscilación pendellösung de neutrones para probar los valores predichos por los modelos de dispersión de rayos X y descubrieron que algunos subestiman significativamente la magnitud de la vibración.
Los resultados proporcionan una valiosa información complementaria tanto para la dispersión de rayos X como para la de neutrones. "Los neutrones interactúan casi por completo con los protones y neutrones en los centros, o núcleos, de los átomos", dijo Huber, "y los rayos X revelan cómo se disponen los electrones entre los núcleos. Este conocimiento complementario profundiza nuestra comprensión".
"Una de las razones por las que nuestras mediciones son tan sensibles es que los neutrones penetran mucho más profundamente en el cristal que los rayos X -un centímetro o más- y, por tanto, miden un conjunto de núcleos mucho mayor. Hemos encontrado pruebas de que los núcleos y los electrones pueden no vibrar rígidamente, como se supone habitualmente. Esto cambia nuestra comprensión de cómo los átomos de silicio interactúan entre sí dentro de una red cristalina".
Fuerza Cinco
El Modelo Estándar es la teoría actual, ampliamente aceptada, de cómo interactúan las partículas y las fuerzas en las escalas más pequeñas. Pero es una explicación incompleta de cómo funciona la naturaleza, y los científicos sospechan que hay más cosas en el universo de las que describe la teoría.
El Modelo Estándar describe tres fuerzas fundamentales en la naturaleza: electromagnética, fuerte y débil. Cada fuerza opera a través de la acción de "partículas portadoras". Por ejemplo, el fotón es el portador de la fuerza electromagnética. Pero el Modelo Estándar aún no ha incorporado la gravedad en su descripción de la naturaleza. Además, algunos experimentos y teorías sugieren la posible presencia de una quinta fuerza.
"Generalmente, si hay un portador de fuerza, la escala de longitud sobre la que actúa es inversamente proporcional a su masa", lo que significa que sólo puede influir en otras partículas en un rango limitado, dijo Heacock. Pero el fotón, que no tiene masa, puede actuar en un rango ilimitado. "Así que, si podemos poner entre paréntesis el rango en el que puede actuar, podemos limitar su fuerza". Los resultados de los científicos mejoran las limitaciones de la fuerza de una posible quinta fuerza en diez veces en una escala de longitudes entre 0,02 nanómetros (nm, milmillonésima parte de un metro) y 10 nm, lo que proporciona a los cazadores de la quinta fuerza un rango reducido en el que buscar.
Los investigadores ya están planeando mediciones de pendellösung más amplias utilizando tanto silicio como germanio. Esperan una posible reducción de cinco veces en las incertidumbres de sus mediciones, lo que podría producir la medición más precisa del radio de carga de los neutrones hasta la fecha y restringir aún más -o descubrir- una quinta fuerza. También tienen previsto realizar una versión criogénica del experimento, que permitiría conocer el comportamiento de los átomos de cristal en su llamado "estado básico cuántico", que explica el hecho de que los objetos cuánticos nunca están perfectamente quietos, incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Fuentes, créditos y referencias:
Pendellösung interferometry probes the neutron charge radius, lattice dynamics, and fifth forces. Science, 2021; 373 (6560): 1239 DOI: 10.1126/science.abc2794