جسيم نانوي معلّق يكشف الاصطدامات مع ذرات منفردة

يمكن لجسيم نانوي من السيليكا يُعلَّق بالليزر في غرفة تفريغ أن يسجل اصطدامات مع ذرات وجزيئات غاز منفردة، بحسب ما أفاد فيزيائيون في جامعة ييل ومختبر لورانس بيركلي الوطني في مجلة Physical Review Letters. وتشير هذه التجربة لإثبات المبدأ إلى أن الكرة يمكن أن تعمل كمستشعر ضغط صغير، وقد نشأت من عمل الفريق على كواشف جديدة للنيوترينو والمادة المظلمة.

لماذا تهم اصطدامات الخلفية

اقترح الفيزيائيون أن الجسيمات الافتراضية مثل المادة المظلمة قد تُكتشف عندما تتشتت أحيانًا عن أجسام بحجم النانومتر محتجزة في مصائد ضوئية، وهي تستخدم حزمة ليزر مركّزة لإبقاء الجسيم في مكانه. وبدلًا من ذلك، إذا احتوى جسم نانوي على مادة مشعة، فقد يكشف ارتداد الجسم عن زخم نواتج الاضمحلال. ويتطلب كلا النهجين صورة واضحة للخلفية التي لا مفر منها: اصطدامات الجسيم بالغاز المتبقي في غرفة التفريغ.

يوضح يو-هان تسينغ من ييل: «عادةً عندما تصطدم ذرة بذرة تختفي ببساطة، لأن الاصطدام كبير جدًا بحيث لا يمكنك إبقاؤها في المصيدة». ويضيف أن هذا هو السبب الرئيسي في محدودية عمر التجارب التي تستخدم ملاقط الذرات، لأن الغاز يواصل الاصطدام بالذرات المحتجزة.

كيف سارت التجربة

احتجز تسينغ وزملاؤه في مجموعة ديفيد مور في ييل كرة نانوية من السيليكا بنصف قطر 50 نانومترًا بحزمة ليزر مركّزة داخل غرفة تفريغ. وفي بؤرة المصيدة يؤدي الجسيم حركة توافقية بسيطة، يتأرجح ذهابًا وإيابًا مثل كتلة على نابض. ثم حقن الباحثون كميات صغيرة من غازات مختلفة، اصطدمت ذراتها أو جزيئاتها عشوائيًا بالكرة الأكبر بكثير.

ومن دون المصيدة، كانت هذه الاصطدامات ستجعل الكرة تتجول عشوائيًا، وهو تأثير مألوف يُسمى الحركة البراونية، وكان تتبعها مستحيلًا. أما في المصيدة، فقد كان كل اصطدام يضطرب تذبذب الكرة المنتظم دون أن يحررها. وراقب الفريق الحركة على امتداد اتجاه ليزر الاحتجاز عبر طور ضوء الليزر المتشتت إلى الخلف، وكشف من الاضطرابات دفع كل اصطدام على حدة.

اختبروا ثلاثة غازات: الكريبتون والزينون وسداسي فلوريد الكبريت. وبدءًا من أعلى تفريغ استطاعوا بلوغه، رفعوا الضغط تدريجيًا إلى نحو 1.5 نانوبار، وهو أقل بكثير من الضغط الجوي البالغ نحو 1 بار. ولكل غاز جمعوا بيانات عند سبعة ضغوط، مسجلين معدل الدفعات الفردية وحجمها. وارتفع معدل الدفعات مع الضغط وكان متسقًا إلى حد كبير مع ما تتنبأ به النظرية الحركية للغازات.

استخدامات محتملة

يقول تسينغ: «أعتقد أن الفريد حقًا هو أننا، حتى مع جسم عياني، نستطيع إجراء قياس دقيق جدًا». ويرى الباحثون أن تمييز الاصطدامات المنفردة بجسم عياني قد يكون مفيدًا في تجارب متنوعة، وربما كمعيار ضغط مستقبلي. ويقول زميلهم في ييل كلارك هاردي إن الفريق سيسعد كثيرًا إذا حوّل أحدهم ذلك إلى مستشعر ضغط عملي يمكن دمجه في نظام آخر. أما هدف المجموعة نفسها فيكمن في مكان آخر: يقول هاردي إنهم يخططون لتطعيم الكرات النانوية بنظائر مشعة تتيح اضمحلالاتها إعادة بناء زخم النيوترينوات المنبعثة.

نتيجة موازية من زيورخ

كما رصد ماكسيم بيردرياه من المعهد الفيدرالي للتكنولوجيا في زيورخ، المؤلف الرئيسي لورقة نُشرت في وقت سابق من هذا العام في Physical Review A، وزملاؤه دفعات ذرات منفردة على كرة نانوية في ملقط ضوئي. وقارنوا الدفعات الناتجة عن حزمة فوق صوتية من ذرات الزينون بالدفعات الحرارية الناتجة عن غاز يتدفق إلى الغرفة. ووصف بيردرياه، الذي لم يشارك في عمل ييل، النتيجة بأنها «نتيجة مذهلة» لأنها تميز النظام الذي يمكن فيه تمييز الذرات المنفردة عن النظام الذي يكثر فيه عدد الذرات إلى حد يتعذر معه تمييزها، وهو أمر مهم للبحث عن المادة المظلمة والنيوترينوات العقيمة.

تجدون مزيدًا من الاكتشافات في الفيزياء ومجالات أخرى في قسم العلوم لدينا.