Schwebendes Nanoteilchen erkennt Kollisionen mit einzelnen Atomen

Ein von einem Laser in einer Vakuumkammer schwebend gehaltenes Silika-Nanoteilchen kann Kollisionen mit einzelnen Gasatomen und -molekülen registrieren, berichten Physiker der Yale University und des Lawrence Berkeley National Laboratory in Physical Review Letters. Das Proof-of-Principle-Experiment legt nahe, dass die Kugel als winziger Drucksensor dienen könnte, und es ging aus der Arbeit des Teams an neuen Neutrino- und Dunkle-Materie-Detektoren hervor.

Warum Hintergrundkollisionen wichtig sind

Physiker haben vorgeschlagen, dass hypothetische Teilchen wie Dunkle Materie nachgewiesen werden könnten, wenn sie gelegentlich an nanometergroßen Objekten streuen, die in optischen Fallen gehalten werden, die einen fokussierten Laserstrahl nutzen, um ein Teilchen an Ort und Stelle zu halten. Alternativ könnte der Rückstoß eines Nanoobjekts, das eine radioaktive Substanz enthält, den Impuls der Zerfallsprodukte verraten. Beide Ansätze erfordern ein klares Bild des unvermeidlichen Hintergrunds: der Kollisionen zwischen dem Teilchen und dem Restgas in der Vakuumkammer.

„Wenn ein Atom normalerweise mit einem Atom kollidiert, verschwindet es einfach, weil der Stoß so groß ist, dass man es nicht in der Falle halten kann“, erklärt Yu-Han Tseng von Yale. Er fügt hinzu, dass dies der Hauptgrund dafür sei, dass Experimente mit Atompinzetten nur eine begrenzte Lebensdauer haben, da Gas ständig mit den gefangenen Atomen kollidiert.

Wie das Experiment funktionierte

Tseng und Kollegen aus der Gruppe von David Moore in Yale fingen eine Silika-Nanokugel mit einem Radius von 50 nm mit einem fokussierten Laserstrahl in einer Vakuumkammer ein. Im Fokus der Falle führt das Teilchen eine einfache harmonische Bewegung aus und schwingt hin und her wie eine Masse an einer Feder. Die Forscher leiteten dann kleine Mengen verschiedener Gase ein, deren Atome oder Moleküle die viel größere Kugel zufällig trafen.

Ohne die Falle würden solche Stöße die Kugel zufällig umherirren lassen, ein bekannter Effekt namens Brownsche Bewegung, und sie zu verfolgen wäre unmöglich. In der Falle störte jede Kollision stattdessen die regelmäßige Schwingung der Kugel, ohne sie loszuschlagen. Das Team überwachte die Bewegung entlang der Richtung des Fallenlasers über die Phase des rückgestreuten Laserlichts und erkannte aus den Störungen den Impuls einzelner Kollisionen.

Sie testeten drei Gase: Krypton, Xenon und Schwefelhexafluorid. Ausgehend vom höchsten erreichbaren Vakuum erhöhten sie den Druck schrittweise auf etwa 1,5 nbar, weit unter dem atmosphärischen Druck von rund 1 bar. Für jedes Gas nahmen sie bei sieben Drücken Daten auf und erfassten Rate und Größe einzelner Impulse. Die Rate der Impulse stieg mit dem Druck und stimmte weitgehend mit den Vorhersagen der kinetischen Gastheorie überein.

Mögliche Anwendungen

„Ich finde, das wirklich Einzigartige ist, dass wir selbst mit einem makroskopischen Objekt eine sehr präzise Messung durchführen können“, sagt Tseng. Die Forscher glauben, dass das Auflösen einzelner Kollisionen mit einem makroskopischen Objekt in einer Vielzahl von Experimenten nützlich sein könnte und möglicherweise als künftiger Druckstandard. Yale-Kollege Clarke Hardy sagt, das Team würde sich sehr freuen, wenn jemand daraus einen funktionierenden Drucksensor machen würde, der in ein anderes System integriert werden kann. Das eigene Ziel der Gruppe liegt woanders: Hardy sagt, sie planen, die Nanokugeln mit radioaktiven Isotopen zu dotieren, deren Zerfälle es ihnen erlauben würden, den Impuls der emittierten Neutrinos zu rekonstruieren.

Ein paralleles Ergebnis aus Zürich

Maxime Perdriat von der ETH Zürich, Hauptautor eines früher in diesem Jahr in Physical Review A veröffentlichten Artikels, und Kollegen haben ebenfalls Einzelatom-Impulse an einer Nanokugel in einer optischen Pinzette nachgewiesen. Sie verglichen Impulse eines Überschallstrahls aus Xenonatomen mit thermischen Impulsen von in die Kammer strömendem Gas. Perdriat, der nicht an der Arbeit in Yale beteiligt war, nannte sie „ein erstaunliches Ergebnis“, weil sie das Regime, in dem einzelne Atome aufgelöst werden können, von jenem unterscheidet, in dem zu viele Atome für eine Auflösung vorhanden sind, was für die Suche nach Dunkler Materie und sterilen Neutrinos wichtig ist.

Weitere Entdeckungen aus der Physik und anderen Bereichen finden Sie in unserem Wissenschaftsbereich.