Австралийские физики разработали новый метод измерения сил, действующих на отдельные атомы и ионы с точностью в десятые и сотые доли аттоньютона — величины, в несколько квинтиллионов раз меньше веса человека на Земле. Метод основан на измерении смещения атома из центра лазерной ловушки и с помощью него удалось измерить, например, силу давления света, действующую на ион иттербия со стороны лазерного пучка, пишут ученые в Science Advances.

Точное экспериментальное измерение сил, действующих между отдельными атомами и молекулами, — один из способов подтвердить или опровергнуть работоспособность тех или иных теорий, предложенных для описания физических систем на атомарном уровне. Из-за того, что большинство взаимодействий между атомами или молекулами довольно слабые, количественное определение сил — зачастую очень непростая задача. Современные методы исследований, однако, позволяют проводить такие измерения с довольно высокой точностью. Например, с помощью даже самых распространенных модификаций атомно-силовых микроскопов уже можно измерять силы порядка нескольких пиконьютонов (это 10⁻¹² ньютона), то есть в примерно в сотни триллионов раз меньше силы тяжести, с которой нас к себе притягивает Земля. С использованием более сложных разновидностей метода двумерные карты распределения сил по поверхности можно измерять еще в миллион раз точнее — с точностью до аттоньютона (это 10⁻¹⁸ ньютона).

Австралийские физики под руководством Эрика Стрида (Erik W. Streed) из Университета Гриффита предложили новый способ измерения сил не в двух, а сразу в трех координатах, которые действуют на отдельные ионы, с точностью в десятые и сотые доли аттоньютона. Измерить силы с такой точностью ученые смогли для иона иттерибия 174Yb+, который удерживался в конкретной точке пространства за счет внешнего электрического поля, создаваемого с помощью системы лазерного охлаждения.

Схема устройства для трехмерного измерения сил, действующих на ион иттербия, с суб-аттоньютоновым разрешением. V. Blūms et al./ Science Advances, 2018

Измерение силы, действующей на ион, проводилось из оценки его смещения, которое ученые могли измерить с нанометровым разрешением. Смещение увеличенного в 400 раз изображения иона, полученное с помощью фазовой линзы Френеля, регистрировалось на экране камеры с зарядовой связью. Точность определения составила 2,8 нанометра по одному из измерений в плоскости линзы, и 10 нанометров — по другому. Кроме того, с высокой точностью за счет изменения размера пятна можно определить и положение иона по третьей оси — с точностью до 24 нанометров.

Данные оптического сигнала, которые используются для определения точного положения иона иттербия. V. Blūms et al./ Science Advances, 2018

Оценив коэффициент упругости удерживающей ион оптической ловушки, полученное смещение можно связать с той силой, которая к этому смещению привела. Калибровка прибора показала, что в изучаемом диапазоне сил (около 30 аттоньютонов) смещение и сила действительно связаны друг с другом линейно, поэтому предложенная модель упругой силы может использоваться. Кроме методики измерения самой силы ученые также предложили способ оценки чувствительности предложенного прибора для всех трех осей и описали возможные погрешности измерений. Основной причиной возможных ошибок измерения силы ученые называют возможный дрейф молекулы с течением времени, так как разработанная авторами система изначально не предназначена для проведения долговременных экспериментов.

Работоспособность предложенной методики ученые проверили, измерив силу давления света, которая действует на ион при облучении. Величина измеренной силы составила от 0 до 0,095 аттоньютона в зависимости от мощности лазерного пучка. Ученые отмечают, что предложенный ими метод может использоваться для измерения сил, которые действуют между атомами, охлажденными с помощью лазерной ловушки, а также на атом или ион со стороны внешнего электромагнитного поля, вызванного другими молекулами или наночастицами.

Для проведения сверхточных измерений силы физики нередко используют охлажденные атомы и ионы. Так, для измерения действующей на атомы силы тяжести ученые предлагают использовать исследование их интерференции в конденсате Бозе-Эйнштейна. В случае химических сил методики измерения даже сил несколько проще: для их определения необходимо померить усилие, которое требуется для разрыва двух связанных между собой элементов (атомов, химических групп или отдельных участков молекулы или кристалла) друг от друга. Например, таким образом ученые смогли измерить с помощью оптического пинцета силу связи между комплементарными азотистыми основаниями в молекуле ДНК, а растягивая кристалл теллурида галлия — померили силу между отдельными кристаллическими слоями.

Автор: Александр Дубов