Ozračje pritiska na naše telo, številne molekule zraka, ki se odbijajo od naše kože, pa nanj izvajajo stalen pritisk. Fiziki so pred kratkim te mikroskopske trke tudi opazovali, in sicer so zaznali trke posameznih atomov v plinu z drobno stekleno kroglico, oziroma nanodelcem, ki lebdi v laserskem žarku. Tehnika, opisana v študiji, ki bo kmalu izšla v reviji Physical Review Letters, lahko potencialno prinese nov standard za določanje tlaka, premakne meje kvantne teorije in raziskovalcem pomaga tudi pri iskanju novih delcev.
»To je fantastična študija,« pravi Markus Aspelmeyer, kvantni fizik z Dunajske univerze, ki pri raziskavi ni sodeloval. »S tehnološkega vidika je res osupljiva in kaže, kako učinkovite so te ujete nanokroglice kot senzorji.«
Delci, ki se nemirno gibljejo
Leta 1827 je britanski botanik Robert Brown opazil, da pod mikroskopom v vodi lebdeči cvetni prašni delci nenehno drhtijo. Skoraj stoletje pozneje je Albert Einstein pojasnil, da to tako imenovano »Brownovo gibanje« izvira iz trkov med molekulami vode in cvetnimi prašnimi delci. Ocenil je tudi, kako je povprečno gibanje delcev odvisno od njihove velikosti, viskoznosti tekočine in temperature, s čimer je pomagal povezati starejšo vedo termodinamiko in takrat nastajajočo teorijo statistične mehanike. Einstein pa se ni ukvarjal s posameznimi trki med delci in molekulami vode.
David Moore, jedrski fizik in fizik delcev z Univerze Yale, in njegovi kolegi so te značilne trke pred kratkim zaznali tako, da so silicijevo-dioksidno kroglico s premerom 100 nanometrov izpostavili delovanju izjemno redkega plina.
Kroglica, ki je lebdela v laserskem žarku v vakuumski komori, je v optični pasti nihala sem in tja, tako kot žogica, pritrjena na vzmet. Poleg tega je odbijala del laserske svetlobe in svetlobni val premaknila glede na položaj kroglice. Raziskovalci so z izjemno natančno tehniko, imenovano interferometrija, s primerjavo vpadle in odbite svetlobe lahko spremljali gibanje kroglice.
Da bi ustvarili obvladljivo majhno število trkov, je Moorova ekipa v vakuumsko komoro vbrizgala le sapico plina: gostota je znašala le desetmilijardinko normalnega ozračja, modeliranega iz kriptona ali ksenona. »Take atome smo izbrali, ker so težki in zato oddajo nekoliko večji impulz,« pravi Moore. Raziskovalci so poleg tega uporabili tudi molekularni plin, žveplov heksafluorid. Občasno je kroglica prejela sunek od atoma plina ali molekule, ki je njeno gibanje bodisi okrepil bodisi omilil.
Na gibanje nanodelca so vplivali tudi trki z molekulami vode, ki so ostale v vakuumski komori, in s fotoni laserske svetlobe. Za ločevanje signalov od šuma so raziskovalci izhajali iz tehnike LIGO (laserski interferometrski observatorij gravitacijskih valov), ki zaznava valove v prostor-času, nastale ob trkih črnih lukenj. Moore in njegovi kolegi so po zgledu metod LIGO svoje šumne podatke prilagajali vnaprej določenim »signalnim predlogam«, ki so jih ustvarili tako, da so nanodelcu dajali sunke, nadzorovane z električnim poljem. S prilagajanjem so lahko prepoznali posamezne trke in tudi to, koliko je vsak udarec spremenil impulz kroglice.
Miniaturne interakcije
Moorova ekipa ni edina, ki je znala zaznati takšne trke. Ekipa z ETH Zürich pod vodstvom Lukasa Novotnyja je podobne rezultate predstavila v prejšnji mesec v reviji Physical Review A objavljeni študiji. Švicarski raziskovalci ujetega nanodelca niso izpostavili oblaku plina, ampak curku atomov ksenona z večjo energijo. »Imamo nadzorovano metodo za vnos atomov,« je povedal Maxime Perdriat, prvi avtor študije. Strokovnjaki so do neke mere lahko določili tudi, od kod je atom prišel, ta sposobnost pa lahko pomaga tudi pri iskanju novih delcev, ki prihajajo iz določenih smeri v vesolju, dodaja raziskovalec.
Zmožnost zaznavanja takšnih trkov lahko fizikom pomaga pri preizkušanju meja kvantne teorije. Mogoče je, da je makroskopski predmet, na primer večjo lebdečo kroglico, mogoče spraviti v tako nenavadno kvantno stanje, v katerem je hkrati na dveh mestih. Trki z atomi ali molekulami, ki lebdijo v vakuumski komori, bi povzročili sesutje takšnih stanj, pravi Aspelmeyer, zato bi lahko Moorovi poskusi razkrili, kako kakovosten vakuum je potreben, da kvantno stanje traja dovolj dolgo, da ga je mogoče izmeriti.
Tak sistem bi lahko uporabili tudi za razvoj novega standarda za določanje tlaka v ultravisokem vakuumu, podobno kot atomska ura določa sekundo.
»Raziskovalci bi lahko tlak določali s štetjem trkov«
– pravi Daniel Barker, fizik z Ameriškega nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST), ki pri nobeni od novih raziskav ni sodeloval. Tako imenovani primarni etalon se ne sme zanašati na druge meritve tlaka ali umerjanje. Poleg tega mora imeti dobro znane negotovosti in pridobiti odobritev mednarodne skupnosti za standardizacijo. »Nova tehnika te ravni še zdaleč ni dosegla, a če pogledamo študijo, je pravzaprav v njej vse, kar je potrebno,« pravi Barker.
Moore si lahko predstavlja še eno možnost uporabe. Načrtuje, da bo kroglico obogatil s fluorom-18, jedrom, ki lahko absorbira elektron in pri tem odda skoraj nezaznavni delec, imenovan nevtrino. Nevtrino, ki pobegne, bi nanodelcu dal zaznaven sunek, to pa bi lahko raziskovalcem pomagalo pri merjenju mase nevtrina in pri preučevanju, ali se lahko navaden nevtrino občasno spremeni v »sterilni« nevtrino z večjo maso. Slednji je ena od teoretičnih gradnikov nevidne temne snovi, za katero menijo, da sestavlja večino snovi v vesolju. Ti drobceni trki in njihove preiskave lahko torej vodijo v kozmične razsežnosti.
