Atmosfera pritišće naše tijelo, a bezbroj molekula zraka koje se odbijaju od naše kože neprestano djeluje na nas tlakom. Fizičari su nedavno uočili te mikroskopske sudare tako što su detektirali sudare pojedinačnih atoma u plinu s malom staklenom kuglicom, odnosno nanočesticom, koja lebdi u laserskoj zraci. Tehnika opisana u studiji koja će uskoro izaći u časopisu Physical Review Letters potencijalno bi mogla dati novi standard za određivanje tlaka, pomaknuti granice kvantne teorije te pomoći istraživačima i u pronalaženju novih čestica.
„Ovo je fantastična studija”, kaže Markus Aspelmeyer, kvantni fizičar sa Sveučilišta u Beču, koji nije sudjelovao u istraživanju. „S tehnološkog stajališta doista je impresivna i pokazuje koliko su učinkovite te zarobljene nanokuglice kao senzori.”
Čestice u neprestanom titranju
Britanski botaničar Robert Brown 1827. uočio je da pod mikroskopom peludna zrnca koja plutaju u vodi neprestano podrhtavaju. Gotovo stoljeće kasnije Albert Einstein objasnio je da to takozvano „Brownovo gibanje” potječe od sudara molekula vode i peludnih zrnaca. Procijenio je i kako prosječno gibanje čestica ovisi o njihovoj veličini, viskoznosti tekućine i temperaturi, čime je pomogao povezati stariju granu znanosti, termodinamiku, s teorijom statističke mehanike koja se tada razvijala. Einstein se, međutim, nije bavio pojedinačnim sudarima između čestica i molekula vode.
David Moore, nuklearni fizičar i fizičar čestica sa Sveučilišta Yale, i njegovi kolege nedavno su detektirali te karakteristične sudare tako što su kuglu od silicijeva dioksida promjera 100 nanometara izložili djelovanju izrazito razrijeđenog plina.
Kugla koja lebdi u laserskoj zraci u vakuumskoj komori titrala je naprijed-natrag u optičkoj zamci, baš poput loptice pričvršćene na oprugu. Osim toga, odbijala je dio laserske svjetlosti, pomičući svjetlosni val ovisno o svom položaju. Istraživači su vrlo preciznom tehnikom koja se naziva interferometrija, usporedbom ozračene i odbijene svjetlosti, mogli pratiti gibanje kugle.
Kako bi stvorio razumno malen broj sudara, Mooreov tim u vakuumsku je komoru ubrizgao tek dašak plina: gustoća je iznosila samo desetmilijardiniti dio normalne atmosfere, modelirane od kriptona ili ksenona. „Odabrali smo takve atome jer su teški, pa predaju nešto veći impuls”, kaže Moore. Istraživači su k tome koristili i molekularni plin, sumporov heksafluorid. Povremeno bi kugla dobila udarac od atoma ili molekule plina, koji je njezino gibanje ili pojačao ili ublažio.
Na gibanje nanočestice utjecali su i sudari s molekulama vode preostalima u vakuumskoj komori te s fotonima laserske svjetlosti. Za razdvajanje signala i šuma istraživači su se poslužili tehnikom LIGO-a (laserski interferometrijski opservatorij gravitacijskih valova), koja detektira valove u prostorvremenu nastale sudarom crnih rupa. Oponašajući metode LIGO-a, Moore i njegovi kolege svoje su zašumljene podatke prilagodili unaprijed određenim „predlošcima signala”, koje su stvorili tako što su nanočestici davali udarce kontrolirane električnim poljem. Prilagodbom su mogli identificirati pojedine sudare i utvrditi koliko je svaki udar promijenio impuls kugle.
Minijaturne interakcije
Mooreov tim nije jedini koji je uspio detektirati takve sudare. Tim ETH-a u Zürichu pod vodstvom Lukasa Novotnyja predstavio je slične rezultate, objavljene prošlog mjeseca u časopisu Physical Review A u studiji. Švicarski istraživači zarobljenu nanočesticu nisu izložili oblaku plina, nego zraci sastavljenoj od ksenonskih atoma veće energije. „Imamo kontrolirani način ubacivanja atoma”, rekao je Maxime Perdriat, glavni autor studije. Stručnjaci su donekle mogli utvrditi i odakle je atom došao, a ta sposobnost, dodaje istraživač, može pomoći i u traženju novih čestica koje u svemir stižu iz određenih smjerova.
Sposobnost otkrivanja takvih sudara mogla bi fizičarima pomoći u testiranju granica kvantne teorije. Moguće je da se makroskopski objekt, primjerice veća kugla koja lebdi, može dovesti u čudno kvantno stanje u kojem je istodobno prisutan na dva mjesta. Sudari s atomima ili molekulama koji lebde u vakuumskoj komori uzrokovali bi urušavanje takvih stanja, kaže Aspelmeyer, pa bi Mooreovi pokusi mogli otkriti koliko kvalitetan vakuum treba da bi kvantno stanje opstalo dovoljno dugo da se može izmjeriti.
Takav bi se sustav mogao iskoristiti i za izradu novog standarda za određivanje tlaka u ultravisokom vakuumu, slično kao što atomski sat određuje sekundu.
„Istraživači bi tlak mogli određivati brojanjem sudara”
kaže Daniel Barker, fizičar Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) Sjedinjenih Država, koji nije sudjelovao ni u jednom od novih istraživanja. Takozvani primarni etalon ne smije se oslanjati na druga mjerenja tlaka ni kalibracije. Uz to mora imati dobro poznate nesigurnosti i dobiti odobrenje međunarodne zajednice za standarde. „Nova tehnika još je daleko od te razine, no kad pogledamo studiju, u njoj zapravo ima sve što je potrebno”, kaže Barker.
Moore smatra mogućom i dodatnu primjenu. Planira kuglu obogatiti fluorom-18, atomskom jezgrom koja može upiti elektron pri čemu emitira gotovo nedetektabilnu česticu zvanu neutrino. Neutrino koji bježi dao bi nanočestici primjetan udarac, a to bi istraživačima moglo pomoći u mjerenju mase neutrina i u ispitivanju može li se običan neutrino povremeno pretvoriti u „sterilni” neutrino veće mase. Potonji je teorijski gradivni element nevidljive tamne tvari, za koju se smatra da čini veći dio tvari u svemiru. Ti sitni sudari i njihova ispitivanja stoga bi nas mogli odvesti do kozmičkih razmjera.
