Левитирующая наночастица зафиксировала столкновения с отдельными атомами
Кремнезёмная наночастица, удерживаемая лазером в вакуумной камере, способна регистрировать столкновения с отдельными атомами и молекулами газа. Об этом сообщают физики Йельского университета и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в журнале Physical Review Letters. Эксперимент, подтверждающий сам принцип, говорит о том, что такая сфера может стать крошечным датчиком давления; он вырос из работы команды над новыми детекторами нейтрино и тёмной материи.
Почему важны фоновые столкновения
Физики предполагают, что гипотетические частицы, например частицы тёмной материи, можно обнаружить, когда они изредка рассеиваются на объектах нанометровых размеров, удерживаемых в оптических ловушках — сфокусированным лазерным лучом, который держит частицу на месте. Или, если наночастица содержит радиоактивное вещество, по её отдаче можно определить импульс продуктов распада. В обоих случаях нужно чётко представлять неизбежный фон: столкновения частицы с остаточным газом в вакуумной камере.
«Обычно, когда атом сталкивается с атомом, он просто исчезает, потому что удар настолько силён, что удержать его в ловушке не получится», — объясняет Ю-Хан Цзэн из Йеля. По его словам, это главная причина, по которой эксперименты с атомными пинцетами ограничены по времени: газ постоянно сталкивается с захваченными атомами.
Как провели опыт
Цзэн и коллеги из группы Дэвида Мура в Йеле захватили кремнезёмную наносферу радиусом 50 нм сфокусированным лазерным лучом внутри вакуумной камеры. В фокусе ловушки частица совершает простые гармонические колебания — качается, как груз на пружине. Затем исследователи напускали небольшие количества разных газов: их атомы или молекулы случайно ударяли гораздо более крупную сферу.
Без ловушки такие удары заставили бы сферу хаотично блуждать — это известный эффект броуновского движения, — и проследить за ней было бы невозможно. В ловушке же каждое столкновение лишь возмущало регулярные колебания, не выбивая сферу из неё. Команда следила за движением вдоль направления лазерного луча по фазе рассеянного назад света, а по возмущениям определяла импульс отдельных столкновений.
Испытали три газа: криптон, ксенон и гексафторид серы. Начав с максимального достижимого вакуума, давление постепенно повышали примерно до 1,5 нбар — это намного меньше атмосферного давления около 1 бар. Для каждого газа данные снимали при семи давлениях, фиксируя частоту и величину отдельных импульсов. Частота импульсов росла с давлением и в целом согласовывалась с предсказаниями кинетической теории газов.
Возможное применение
«Думаю, уникально то, что даже с макроскопическим объектом мы можем выполнить очень точное измерение», — говорит Цзэн. Исследователи полагают, что регистрация отдельных столкновений с макроскопическим объектом может пригодиться в самых разных экспериментах и, возможно, в будущем как эталон давления. Коллега из Йеля Кларк Харди говорит, что команда была бы рада, если бы кто-то довёл разработку до рабочего датчика давления, который можно встроить в другую систему. Собственные цели группы лежат в другом: по словам Харди, они планируют легировать наносферы радиоактивными изотопами, распады которых позволят восстановить импульс испускаемых нейтрино.
Параллельный результат из Цюриха
Максим Пердриа из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, ведущий автор статьи, опубликованной в этом году в Physical Review A, и его коллеги тоже регистрировали импульсы отдельных атомов на наносфере в оптическом пинцете. Они сравнивали импульсы от сверхзвукового пучка атомов ксенона с тепловыми импульсами от газа, натекающего в камеру. Пердриа, не участвовавший в йельской работе, назвал её «потрясающим результатом»: она позволяет отличить режим, в котором отдельные атомы различимы, от режима, когда атомов слишком много, а это важно для поисков тёмной материи и стерильных нейтрино.
Другие открытия из физики и смежных областей — в нашем разделе науки.