Физики впервые измерили давление отдельных частиц
Ученые построили установку для измерения сверхмалых давлений. Она настолько чувствительная, что может зарегистрировать столкновения отдельных атомов или молекул. Устройство прибора и результаты его испытаний выложены препринтом на arXiv.
Давление возникает, когда частицы ударяются о поверхность объекта и коллективно действуют на него с некоторой силой, распределенной по площади. Обычно физики рассматривают этот процесс как усредненный эффект, не вдаваясь в поведение каждой частицы. Однако при сверхнизких давлениях — например, в экспериментах, которые ставят в почти идеальном вакууме, — для точного учета эффектов приходится отслеживать каждый удар.
В основе первого в истории устройства, способного на такие измерения, — сфера из кремнезема размером 50 нм, вдвое меньше некоторых вирусов. Она удерживается лазерным лучом благодаря электромагнитному взаимодействию. Когда частица сталкивается со сферой, та отражает свет, и исследователи регистрируют эти отражения.
Проверяли методику в сверхвысоком вакууме. В камеру, из которой был откачан воздух до давления в миллиарды раз ниже атмосферного, подавали микропорции газов — и следили за реакцией наночастицы. Измерения сравнили с математическими предсказаниями. Совпадение оказалось хорошим — прибор работал именно так, как было задумано.
«Здесь нужно все сделать правильно, чтобы измерения получились. Когда мы все выполняли достаточно аккуратно — вышел превосходный результат», — доволен первый автор исследования Ю-Хань Цзэн.
Эти испытания, собственно, сразу же продемонстрировали самое очевидное применение устройства — с его помощью можно дать новое определение сверхвысокому вакууму, когда стандартные датчики давления просто показывают ноль. «Можно просто посчитать число столкновений, и этого будет достаточно, чтобы оценить давление в условиях экстремально высокого вакуума», — говорит соавтор исследования Кларк Харди.
Профессор Анимеш Датта из Уорикского университета считает, что похожие конструкции (включая те, которые разрабатывает его собственная группа) можно использовать в астрономии. Например, они помогут изучать разреженную среду между звездами, регистрируя газовые частицы, которые там встречаются, но могли ускользнуть от других датчиков.
У разработчиков, однако, другая цель — с помощью того же устройства обнаружить гипотетические так называемые стерильные нейтрино. Такие частицы могли бы объяснить многолетние аномалии в экспериментах по физике частиц, пролить свет на то, почему в нашей Вселенной существуют частицы с невероятно малой массой, и даже стать убедительным кандидатом на роль строительного материала для темной материи.
