Путь к новой физике. Ученые засекли отдельный удар атома газа о наночастицу: она была в 10 млн раз тяжелее

Физики смогли зафиксировать передачу импульса при столкновении отдельных атомов и молекул газа с наночастицей кремния, удерживаемой лазером в вакууме. Частицы газа были примерно в 10 миллионов раз легче самой частицы, но их удары удалось различить на фоне шума. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Крошечные атомы и молекулы постоянно бомбардируют друг друга вокруг нас. Крупномасштабные эффекты этих взаимодействий мы измеряем регулярно: миллиарды постоянных столкновений в воздухе создают то, что мы воспринимаем как давление. На больших высотах частицы более разбросаны, и давление слабее, чем на уровне моря. То же самое происходит в жидкостях, из-за чего давление растет с глубиной. Но измерить эффект каждого отдельного столкновения гораздо сложнее.

История вопроса уходит к 1827 году, когда Роберт Браун заметил, что зерна пыльцы покачиваются в воде под микроскопом. Более поздние работы Эйнштейна показали: это случайное движение частиц, взвешенных в жидкости, вызвано постоянными столкновениями с быстро движущимися атомами или молекулами окружающей среды. Это явление теперь называют броуновским движением. Обычно отдельные удары слишком малы и часты, чтобы их можно было различить, — они теряются в фоновом шуме.

Гораздо позже исследователи поняли, что наночастицы, захваченные лазером, позволяют измерять эти крошечные столкновения без помех со стороны опорной поверхности. Возможность фиксировать последствия отдельных ударов полезна для разных типов исследований. Например, теоретические работы предлагали использовать отдельные столкновения газов для измерения чрезвычайно низких давлений. Более точное обнаружение такого движения может даже помочь измерить массу нейтрино.

В новом эксперименте ученые выделили кремниевую сферу диаметром около 100 нанометров в лазерную ловушку внутри камеры сверхвысокого вакуума. Затем они по отдельности вводили три разных тяжелых газа — криптон, ксенон и гексафторид серы — под контролируемым давлением и отслеживали движение сферы с помощью рассеянного лазерного света. Датчик калибровали по ожидаемым значениям, а измерения столкновений сравнивали с фоновыми записями и теоретическими прогнозами.

Передачу импульса от отдельных ударов атомов криптона, атомов ксенона и молекул гексафторида серы о наночастицу кремния удалось обнаружить, несмотря на то что частицы газа были примерно в 10 миллионов раз легче кремния. Измеренное распределение передачи импульса хорошо согласуется с предсказаниями теории газа. Оценки давления на основе столкновений тоже совпали с данными обычного вакуумметра в пределах неопределенностей — это доказательство принципа измерения давления.

В предыдущих экспериментах сообщали о разной степени лазерного нагрева левитирующих частиц кремнезема, что оставляло неопределенность относительно температуры их поверхности. В новом эксперименте закономерности соответствовали поверхности, близкой к комнатной температуре. Правда, исследователи установили верхние пределы температуры, а не точное значение.

Шум действительно скрывал некоторые небольшие удары. Это ограничило обнаружение более легких газов и не позволило датчику разрешить каждое столкновение. Однако в будущем более точные измерения движения смогут выявить более слабые удары, более легкие виды газа и более низкое давление. Ученые отмечают: сам факт обнаружения отдачи от отдельных частиц газа, масса которых примерно в 10 миллионов раз меньше массы левитирующего датчика, показывает потенциал макроскопических механических систем в точном измерении силы и фундаментальных взаимодействий частиц.

У метода есть и практические перспективы. При некотором совершенствовании он может привести к созданию нового, более точного стандарта давления для исключительно чистых вакуумных систем. Способность различать небольшие столкновения может помочь измерять хрупкие квантовые состояния, отфильтровывая возмущения окружающей среды. А еще метод может пригодиться в предлагаемых поисках темной материи и других частиц.

Изображение: упрощенная схема, иллюстрирующая экспериментальную установку. Источник: Physical Review Letters