Coliziunile individuale între atomi, detectate pentru prima dată în laborator
Atomii și moleculele se ciocnesc unii cu alții în permanență, iar efectele acestor interacțiuni la scară largă pot fi măsurate cu ușurință. Detectarea impactului fiecărei coliziuni în parte este însă mult mai dificilă. O echipă de cercetători a reușit acum să măsoare modul în care particulele minuscule de gaz afectează o singură particulă de silice, potrivit unui studiu publicat în Physical Review Letters.
În experimentul lor, cercetătorii au izolat o sferă de silice cu un diametru de aproximativ 100 de nanometri într-o capcană laser, în interiorul unei camere cu vid ultraînalt. Apoi au introdus separat trei gaze grele diferite — kripton, xenon și hexafluorură de sulf — la presiuni controlate și au urmărit mișcarea sferei prin lumina laser dispersată.
Transferul de impuls rezultat din impacturile individuale ale atomilor de kripton, atomilor de xenon și moleculelor de hexafluorură de sulf asupra nanoparticulei de silice a putut fi detectat, deși particulele de gaz sunt de aproximativ zece milioane de ori mai ușoare decât silicea. Distribuția măsurată a transferurilor de impuls s-a potrivit bine cu predicțiile teoriei gazelor, iar estimările de presiune bazate pe coliziuni au fost în acord, în limitele incertitudinilor, cu cele ale unui manometru convențional de vid.
La scară largă, miliardele de coliziuni constante din aer creează ceea ce percepem drept presiune. Încă din 1827, Robert Brown a observat că granulele de polen se mișcau haotic în apă la microscop, iar lucrările ulterioare ale lui Einstein au arătat că această mișcare aleatorie era cauzată de ciocnirile constante cu atomii sau moleculele din mediul înconjurător. De obicei, impacturile individuale sunt prea mici și prea frecvente pentru a fi distinse fără a se pierde în zgomotul de fond.
Experimentele anterioare au raportat cantități diferite de încălzire laser în particulele de silice levitate, lăsând incertitudini cu privire la temperatura suprafeței acestora. În noul experiment, modelele observate au fost consistente cu o suprafață apropiată de temperatura camerei, deși cercetătorii au stabilit limite superioare de temperatură, nu o valoare precisă.
Zgomotul a obturat unele dintre impulsurile mai mici, limitând detectarea gazelor mai ușoare și împiedicând senzorul să surprindă fiecare coliziune. Cu toate acestea, cercetătorii notează că îmbunătățiri viitoare ale măsurătorilor de mișcare ar putea releva impacturi mai slabe, specii de gaz mai ușoare și presiuni mai scăzute.
Autorii studiului menționează mai multe aplicații potențiale. Cu anumite îmbunătățiri, metoda ar putea conduce la un nou standard de presiune, mai precis, pentru sistemele de vid extrem de curate. Capacitatea de a rezolva coliziuni mici ar putea ajuta și la măsurarea stărilor cuantice fragile, prin filtrarea perturbațiilor din mediu, și ar putea contribui la căutările propuse ale materiei întunecate și ale altor particule.
