Левітована наночастинка виявляє зіткнення з поодинокими атомами
Кремнеземна наночастинка, левітована лазером у вакуумній камері, може реєструвати зіткнення з окремими атомами та молекулами газу, повідомляють фізики Єльського університету та Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі в Physical Review Letters. Експеримент із підтвердження принципу вказує, що така сфера може слугувати крихітним датчиком тиску, і він виріс із роботи команди над новими детекторами нейтрино та темної матерії.
Чому важливі фонові зіткнення
Фізики припустили, що гіпотетичні частинки, як-от темна матерія, можна виявити, коли вони зрідка розсіюються на нанорозмірних об'єктах, утримуваних в оптичних пастках, які використовують сфокусований лазерний промінь, щоб тримати частинку на місці. Крім того, якщо нанооб'єкт містить радіоактивну речовину, віддача об'єкта могла б розкрити імпульс продуктів розпаду. Обидва підходи потребують чіткого уявлення про неминучий фон: зіткнення між частинкою та залишковим газом у вакуумній камері.
«Зазвичай, коли атом стикається з атомом, той просто зникає, бо удар такий сильний, що утримати його в пастці неможливо», — пояснює Ю-Хан Цен з Єля. Він додає, що це головна причина обмеженого часу життя експериментів з атомними пінцетами, адже газ постійно стикається з утримуваними атомами.
Як проходив експеримент
Цен і колеги з групи Девіда Мура в Єлі утримали сфокусованим лазерним променем кремнеземну наносферу радіусом 50 нм у вакуумній камері. У фокусі пастки частинка здійснює простий гармонічний рух, гойдаючись туди й сюди, як вантаж на пружині. Потім дослідники впустили невеликі кількості різних газів, атоми чи молекули яких випадково вдарялися об значно більшу сферу.
Без пастки такі удари змушували б сферу безладно блукати — це відомий ефект, що називається броунівським рухом, — і стежити за нею було б неможливо. У пастці ж кожне зіткнення лише збурювало регулярні коливання сфери, не вибиваючи її. Команда відстежувала рух уздовж напрямку лазера пастки за фазою зворотно розсіяного лазерного світла й за збуреннями виявляла імпульс окремих зіткнень.
Вони випробували три гази: криптон, ксенон і гексафторид сірки. Починаючи з найвищого досяжного вакууму, вони поступово підвищували тиск до приблизно 1,5 нбар, що значно нижче за атмосферний тиск близько 1 бар. Для кожного газу вони знімали дані за семи значень тиску, фіксуючи частоту й величину окремих імпульсів. Частота імпульсів зростала з тиском і загалом узгоджувалася з прогнозами кінетичної теорії газів.
Можливе застосування
«Думаю, унікальним є те, що навіть із макроскопічним об'єктом ми можемо виконати дуже точне вимірювання», — каже Цен. Дослідники вважають, що розрізнення окремих зіткнень з макроскопічним об'єктом може бути корисним у різних експериментах і потенційно як майбутній еталон тиску. Колега з Єля Кларк Гарді каже, що команда була б у захваті, якби хтось перетворив це на робочий датчик тиску, який можна інтегрувати в іншу систему. Мета самої групи інша: Гарді розповідає, що вони планують легувати наносфери радіоактивними ізотопами, розпади яких дозволять відтворити імпульс випромінюваних нейтрино.
Паралельний результат із Цюриха
Максим Пердріа з ETH Цюрих, провідний автор статті, опублікованої цього року раніше в Physical Review A, та його колеги також виявили імпульси окремих атомів на наносфері в оптичному пінцеті. Вони порівняли імпульси від надзвукового пучка атомів ксенону з тепловими імпульсами від газу, що надходить до камери. Пердріа, який не брав участі в роботі Єля, назвав її «дивовижним результатом», бо вона розрізняє режим, у якому можна розрізнити окремі атоми, і режим, де атомів надто багато для розрізнення, що важливо для пошуків темної матерії та стерильних нейтрино.
Більше відкриттів із фізики та інших галузей зібрано в нашому розділі науки.