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包括北卡罗来纳州在内的一个国际研究小组发现,中子束比x射线更精确

财经看点 时间:2021-09-20 01:00:53

发自罗利——一个国际研究小组利用中子束对硅进行了潘德尔松干涉测量,提供了迄今为止该技术的最高精度测量,以及硅晶体和中子本身特性的“快照”。彭德尔松干涉测量法是一种光学技术,用于确定晶体材料的性质——特别是硅的性质——如其机械和热性质以及将其固定在一起的力(其中的原子)的排列方式。

“尽管硅无处不在,但我们仍在了解其最基本的性质,”北卡罗莱纳州立大学物理学教授兼该研究的合著者阿尔伯特·杨(Albert Young)说。由于中子不带电荷,因此很适合用作探针,因为它不会与材料内部的电子发生强烈的相互作用。由于X射线与电子的相互作用,因此在测量材料内部的原子力时有一些缺点

该研究团队使用美国国家标准与技术研究所(NIST)中子研究中心的中子束,在完美的硅晶体上进行潘德尔松干涉测量。该团队由本杰明·希考克(Benjamin Heacock)领导,当时他是北卡罗来纳州的一名研究生,与NIST仪器科学家迈克尔·休伯(Michael Huber)密切合作。

虽然晶体结构研究通常用X射线进行,但中子束对原子电子密度的敏感度比X射线低几个数量级,这使得它成为硅晶体振动特性的理想探针。

一个完美的硅晶体是这样一种晶体:每个内平面中的原子片是相同的,它们的间距和方向在整个晶体中重复。中子以量子波的形式与这些平面相互作用,当这些平面像在完美晶体中一样排列时,中子束可以从晶体平面重复反射。每一次反射都会将中子从晶体中的原子上反射回来,反射波对这些相互作用进行编码。当中子波最终从晶体中逸出时,反弹历史提供了有关原子力如何排列以及它们如何影响中子的数据。

硅晶体的定向非常精确,以确定特定的反射条件。然后将晶体绕垂直轴旋转,产生波的模式,从而为团队提供晶体内部原子力如何排列的数据。

在这项工作之前,pendellösung只对光束相对于晶体平面的一次对准进行了研究(称为Bragg条件)。在这项工作中,用中子测量了两种新的布拉格条件,精度提高了约四倍。

杨说:“与以前的彭德尔松测量不同,我们的技术可以超精确地提供晶体的性质和力——包括中子电荷半径和短程力——这不仅增加了我们对硅的了解,而且增加了对中子本身的了解。”。

短程力是指物理学家理论上已经存在但尚未观测到的尚未发现的力,这些力可能与暗能量或具有额外空间维度的新引力理论有关。杨希望探测短程力能让科学家洞察这些更大的问题。这项工作还提供了新的工具和新的科学家群体,他们可以通过小规模实验解决这些问题。

杨说:“这项工作的伟大之处不仅在于精度——我们可以磨练晶体中的特定可见光——而且我们可以通过桌面实验,而不是大型对撞机来完成。”。“进行这些小规模、精确的测量可以在一些最具挑战性的基础物理学问题上取得进展。”

这项研究发表在《科学》上,并得到了美国能源部(授予89243019SSC000 00 25和DE-FG02-97 Er41042)的支持,国家科学基金会(GEL PY-130726),加拿大发现计划自然科学和工程委员会,以及加拿大第一个研究卓越基金。希考克是第一作者。联合调查人员包括来自NIST的研究人员;日本名古屋大学;杜兰大学;加拿大滑铁卢大学;日本广泽理研先进光子学中心;三角大学核实验室;以及日本筑波高能加速器研究组织。北卡罗来纳州立大学物理学教授保罗·哈夫曼也对这项工作做出了贡献。

©北卡罗来纳州立大学

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