悬浮纳米粒子可探测与单个原子的碰撞

耶鲁大学和劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上报告称,由激光在真空室中悬浮的二氧化硅纳米粒子可以记录与单个气体原子和分子的碰撞。这项原理验证实验表明,该球体可以用作微型压力传感器,而它源于团队在新型中微子和暗物质探测器方面的研究。

背景碰撞为何重要

物理学家提出,暗物质等假想粒子可能在偶尔与光学陷阱中保持的纳米尺度物体发生散射时被探测到,光学陷阱利用聚焦的激光束将粒子固定在原位。或者,如果纳米物体含有放射性物质,物体的反冲可以揭示衰变产物的动量。这两种方法都需要清楚了解不可避免的背景:粒子与真空室中残余气体之间的碰撞。

“通常当一个原子与另一个原子碰撞时,它就会直接消失,因为冲击太大,无法把它留在陷阱里,”耶鲁大学的曾裕涵(Yu-Han Tseng)解释说。他补充道,这是原子镊子实验寿命有限的主要原因,因为气体不断与被捕获的原子碰撞。

实验如何进行

曾裕涵与耶鲁大学戴维·摩尔(David Moore)团队的同事用聚焦激光束在真空室内捕获了一个半径50纳米的二氧化硅纳米球。在陷阱的焦点处,粒子做简谐运动,像弹簧上的重物一样来回摆动。随后研究人员注入少量不同的气体,其原子或分子随机撞击大得多的球体。

没有陷阱的话,这样的撞击会使球体随机游走,这是一种众所周知的效应,称为布朗运动,要追踪它是不可能的。而在陷阱中,每次碰撞只是扰动球体的规则振荡,而不会把它撞出去。团队通过背向散射激光的相位监测沿捕获激光方向的运动,并从扰动中探测出单次碰撞的冲量。

他们测试了三种气体:氪、氙和六氟化硫。从所能达到的最高真空开始,他们逐渐把压力提高到约1.5纳巴,远低于约1巴的大气压。对每种气体,他们在七个压力下采集数据,记录单个冲量的速率和大小。冲量的速率随压力上升,与气体动理论的预测大体一致。

可能的用途

“我认为真正独特的是,即使对宏观物体,我们也能进行非常精确的测量,”曾裕涵说。研究人员认为,用宏观物体分辨单次碰撞可能对多种实验有用,并有可能成为未来的压力标准。耶鲁同事克拉克·哈迪(Clarke Hardy)说,如果有人把它做成可集成到其他系统中的实用压力传感器,团队会非常高兴。该团队自己的目标则在别处:哈迪说,他们计划在纳米球中掺入放射性同位素,通过其衰变重建所发射中微子的动量。

来自苏黎世的平行成果

苏黎世联邦理工学院的马克西姆·佩尔德里亚(Maxime Perdriat)是今年早些时候发表于《物理评论A》(Physical Review A)的一篇论文的第一作者,他与同事也在光镊中的纳米球上探测到了单原子冲量。他们比较了超音速氙原子束产生的冲量与流入真空室的气体产生的热冲量。未参与耶鲁研究的佩尔德里亚称其为“一个了不起的结果”,因为它区分了可以分辨单个原子的区间与原子太多而无法分辨的区间,这对暗物质和惰性中微子的搜寻很重要。

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