Una nanopartícula levitada detecta colisiones con átomos individuales

Una nanopartícula de sílice levitada por un láser en una cámara de vacío puede registrar colisiones con átomos y moléculas de gas individuales, informan físicos de la Universidad de Yale y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Physical Review Letters. El experimento de prueba de principio sugiere que la esfera podría servir como un diminuto sensor de presión, y surgió del trabajo del equipo en nuevos detectores de neutrinos y de materia oscura.

Por qué importan las colisiones de fondo

Los físicos han propuesto que partículas hipotéticas como la materia oscura podrían detectarse cuando ocasionalmente se dispersan en objetos de tamaño nanométrico sostenidos en trampas ópticas, que usan un haz láser enfocado para mantener una partícula en su sitio. Alternativamente, si un nanoobjeto contiene una sustancia radiactiva, el retroceso del objeto podría revelar el momento de los productos de la desintegración. Cualquiera de los dos enfoques requiere una imagen clara del fondo inevitable: las colisiones entre la partícula y el gas residual de la cámara de vacío.

«Normalmente, cuando un átomo choca con un átomo, simplemente desaparece, porque el impacto es tan grande que no se puede mantener en la trampa», explica Yu-Han Tseng, de Yale. Añade que esta es la razón dominante por la que los experimentos con pinzas de átomos tienen una vida útil limitada, ya que el gas sigue chocando con los átomos atrapados.

Cómo funcionó el experimento

Tseng y sus colegas del grupo de David Moore en Yale atraparon una nanoesfera de sílice de 50 nm de radio con un haz láser enfocado dentro de una cámara de vacío. En el foco de la trampa la partícula describe un movimiento armónico simple, oscilando de un lado a otro como una masa en un resorte. Los investigadores inyectaron luego pequeñas cantidades de distintos gases, cuyos átomos o moléculas golpeaban al azar la esfera, mucho más grande.

Sin la trampa, tales impactos harían que la esfera vagara al azar, un efecto conocido como movimiento browniano, y seguirla sería imposible. En la trampa, en cambio, cada colisión perturbaba la oscilación regular de la esfera sin liberarla. El equipo monitorizó el movimiento a lo largo de la dirección del láser de atrapamiento mediante la fase de la luz láser retrodispersada y, a partir de las perturbaciones, detectó el impulso de cada colisión individual.

Probaron tres gases: criptón, xenón y hexafluoruro de azufre. Partiendo del vacío más alto que pudieron alcanzar, aumentaron gradualmente la presión hasta unos 1,5 nbar, muy por debajo de la presión atmosférica de aproximadamente 1 bar. Para cada gas tomaron datos a siete presiones, registrando la frecuencia y el tamaño de los impulsos individuales. La frecuencia de los impulsos aumentó con la presión y fue en general coherente con lo que predice la teoría cinética de los gases.

Posibles usos

«Creo que lo realmente único es que, incluso con un objeto macroscópico, podemos hacer una medición muy precisa», dice Tseng. Los investigadores creen que resolver colisiones individuales con un objeto macroscópico podría ser útil en una variedad de experimentos y, potencialmente, como futuro patrón de presión. Clarke Hardy, colega de Yale, dice que el equipo estaría encantado de que alguien lo convirtiera en un sensor de presión funcional que pudiera integrarse en otro sistema. El objetivo del propio grupo es otro: Hardy afirma que planean dopar las nanoesferas con isótopos radiactivos cuyas desintegraciones les permitirían reconstruir el momento de los neutrinos emitidos.

Un resultado paralelo desde Zúrich

Maxime Perdriat, de la ETH de Zúrich, autor principal de un artículo publicado a principios de este año en Physical Review A, y sus colegas también han detectado impulsos de átomos individuales en una nanoesfera en una pinza óptica. Compararon los impulsos de un haz supersónico de átomos de xenón con los impulsos térmicos del gas que fluye hacia la cámara. Perdriat, que no participó en el trabajo de Yale, lo calificó de «un resultado asombroso» porque distingue el régimen en el que se pueden resolver átomos individuales de aquel en el que hay demasiados átomos para resolverlos, algo importante para las búsquedas de materia oscura y de neutrinos estériles.

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