Создан рекордно чувствительный силомер

Лазерная ловушка, использованная в опытеИзображение: ICFO

Группа физиков из Испании и Швейцарии собрала самый маленький и чувствительный детектор механического воздействия. Устройство способно зафиксировать силу в 20 зептоньютонов: 2*10-21. Подробности со ссылкой на статью исследователей в журнале Nature Physics приводит Исследовательский институт фотоники, ICFO.

В опыте ученых кремниевая шарообразная частица диаметром около 75 нанометров была подвешена в сфокусированном луче инфракрасного лазера с длиной волны около микрометра. Шарик был значительно меньше длины волны и не мог отражать или преломлять свет, но в электромагнитном поле превращался в электрический диполь. На него действовала сила, направленная в сторону максимума интенсивности света, поэтому градиент электромагнитного поля (спад интенсивности света) действовал подобно обычной пружинке: при отклонении частицы от фокуса возникала сила, стремящаяся вернуть шарик обратно. А чтобы опыту не мешали столкновения с молекулами воздуха, из лазерной ловушки выкачали воздух. Подвешенная в вакууме частица оказалась одним из самых добротных механических осцилляторов.

Добростностью колебательной системы называют параметр, показывающий то, во сколько раз запасы энергии частицы больше потерь в одном периоде колебаний. Чем она выше, тем ближе колебания к гармоническим, то есть описываемых синусоидальной кривой, и тем проще заметить действие на систему посторонней силы. Ученые обнаружили, что воздействие на частицу с силой в несколько десятков зептоньютонов (один зептоньютон -10-21 ньютон) уже меняет частоту колебаний на один герц и это изменение можно обнаружить.

Возможность измерять очень маленькие силы, как считают создатели нового прибора, может пригодиться при поиске отклонений от закона всемирного тяготения, при измерении силы Казимира и даже эффектов, связанных с изменением спина атомных ядер.

Применение для измерения малых сил систем, аналогичных макроскопическим динамометрам, невозможно. Статическое отклонение пружины в случае микрочастиц теряется на фоне помех, поэтому обычно для обнаружения слабых сил используют другой эффект, изменение частоты колебаний микроскопического маятника.