A légkör a testünkre nehezedik, a bőrünkről visszapattanó számtalan levegőmolekula folyamatos nyomást fejt ki ránk. Nemrégiben a fizikusok meg is figyelték ezeket a mikroszkopikus ütközéseket úgy, hogy kimutatták a gázban lévő egyes atomok egy lézernyalábban lebegtetett apró üveggömbbel, avagy nanorészecskével való ütközéseit. A Physical Review Letters folyóiratban hamarosan megjelenő tanulmányban ismertetett technika potenciálisan új standardot eredményezhet a nyomás meghatározására, kitolhatja a kvantumelmélet határait, és új részecskék megtalálásában is segítheti a kutatókat.

„Ez egy fantasztikus tanulmány” – mondja Markus Aspelmeyer, a Bécsi Egyetem kvantumfizikusa, aki nem vett részt a kutatásban. „Technológiai szempontból igazán lenyűgöző, és megmutatja, milyen hatékonyak ezek a befogott nanogömbök érzékelőkként.”

Izgő-mozgó részecskék

1827-ben Robert Brown brit botanikus megfigyelte, hogy mikroszkóp alatt a vízben lebegő pollenrészecskék folyamatosan remegnek. Közel egy évszázaddal később Albert Einstein magyarázta meg, hogy ez az úgynevezett „Brown-mozgás” a vízmolekulák és a pollenrészecskék közötti ütközésekből származik. Azt is megbecsülte, hogy a részecskék átlagos mozgása hogyan függ a méretüktől, a folyadék viszkozitásától és a hőmérséklettől, ezzel segítve a régebbi termodinamika tudományág és az akkoriban kialakuló statisztikai mechanika elméletének összekapcsolását. Einstein ugyanakkor nem foglalkozott a részecskék és a vízmolekulák közötti egyedi ütközésekkel.

A vákuumkamrában lévő lézersugárban lebegtetett gömb az optikai csapdában előre-hátra rezegett, akárcsak egy rugóra erősített labda. Emellett a lézerfény egy részét is visszaverte, a fényhullámot a gömb helyzetétől függően eltolva. A kutatók egy interferometriának nevezett rendkívül pontos technikával, a besugárzott és a visszavert fény összehasonlításával követni tudták a gömb mozgását.

Ahhoz, hogy kezelhetően alacsony számú ütközést hozzanak létre, Moore csapata csupán egy leheletnyi gázt fecskendezett a vákuumkamrába: a sűrűség egy kriptonból vagy xenonból modellezett normál légkör mindössze tízmilliárdod részét tette ki. „Azért ilyen atomokat választottunk, mert nehezek, így valamivel nagyobb impulzust adnak le” – mondja Moore. A kutatók ráadásul molekuláris gázt, kén-hexafluoridot is használtak. Időnként a gömb lökést kapott egy gázatomtól vagy molekulától, ami vagy fokozta, vagy mérsékelte mozgását.

A nanorészecske mozgására a vákuumkamrában maradt vízmolekulákkal és a lézerfény fotonjaival való ütközések is hatással voltak. A jelek és a zaj szétválasztásához a kutatók a LIGO (lézeres interferométeres gravitációshullám-obszervatórium) technikáját vették alapul, amely a fekete lyukak ütközésekor keletkező hullámokat érzékeli a téridőben. A LIGO módszereit utánozva Moore és kollégái a zajos adataikat előre meghatározott „jelsablonokhoz” illesztették, amelyeket úgy hoztak létre, hogy elektromos mezővel szabályozott lökéseket adtak a nanorészecskének. Az illesztés révén azonosítani tudták az egyes ütközéseket, és azt is, hogy az egyes becsapódások mennyire változtatták meg a gömb impulzusát.

Miniatűr kölcsönhatások

Moore csapata nem az egyetlen, amely ilyen ütközéseket tudott detektálni. Az ETH Zürich csapata, Lukas Novotny vezetésével hasonló eredményeket mutatott be egy, a múlt hónapban a Physical Review A folyóiratban megjelent tanulmányban. A svájci kutatók a befogott nanorészecskét nem egy gázfelhőnek, hanem egy nagyobb energiájú xenonatomokból álló sugárnyalábnak tették ki. „Van egy szabályozott módszerünk az atomok bejuttatására” – mondta el Maxime Perdriat, a tanulmány vezető szerzője. A szakértők valamilyen szinten azt is meg tudták határozni, hogy az atom honnan érkezett, és ez a képesség segíthet olyan új részecskék felkutatásában is, amelyek az űrben meghatározott irányokból érkeznek, teszi hozzá a kutató.

Az ilyen ütközések észlelésének képessége segíthet a fizikusoknak a kvantumelmélet határainak tesztelésében. Lehetséges, hogy egy makroszkopikus tárgyat, például egy nagyobb, lebegő gömböt, olyan furcsa kvantumállapotba lehet hozni, amelyben egyszerre két helyen is jelen van. A vákuumkamrában lebegő atomokkal vagy molekulákkal való ütközések az ilyen állapotok összeomlását okoznák, mondja Aspelmeyer, így a Moore-féle kísérletek feltárhatják, milyen jó minőségű vákuumra van szükség ahhoz, hogy a kvantumállapot elég hosszú ideig fennmaradjon ahhoz, hogy mérhető legyen.

Egy ilyen rendszer felhasználható lenne egy új standard kidolgozására is az ultraerős vákuumban uralkodó nyomás meghatározásához, hasonlóan ahhoz, ahogyan az atomóra meghatározza a másodpercet.

– mondja Daniel Barker, az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetének (NIST) fizikusa, aki egyik új vizsgálatban sem vett részt. Az úgynevezett elsődleges etalon nem támaszkodhat más nyomásmérésre vagy kalibrálásra. Emellett jól ismert bizonytalanságokkal kell rendelkeznie, és el kell nyernie a nemzetközi szabványügyi közösség jóváhagyását. „Az új technika még messze nem érte el ezt a szinte, de ha megnézzük a tanulmányt, akkor tulajdonképpen minden benne van, ami kellhet” – mondja Barker.

Moore egy további alkalmazási lehetőséget is elképzelhetőnek tart. Azt tervezi, hogy a gömböt fluor-18-cal dúsítja, egy olyan atommaggal, amely képes elnyelni egy elektront, miközben egy szinte kimutathatatlan, neutrínónak nevezett részecskét bocsát ki. Az elszökő neutrínó észlelhető lökést adna a nanorészecskének, ez pedig segíthetne a kutatóknak a neutrínó tömegének mérésében, és annak vizsgálatában, hogy egy közönséges neutrínó időnként átalakulhat-e egy nagyobb tömegű „steril” neutrínóvá. Utóbbi a láthatatlan sötét anyag egyik teoretikus építőeleme, amelyről úgy gondolják, hogy az univerzum anyagának nagy részét kiteszi. Ezek a picinyke ütközések és vizsgálataik tehát kozmikus távlatokba vezethetnek.