科学家探测到独立的原子碰撞事件
科学家探测到独立的原子碰撞事件
大气会对人体产生压力，是因为无数空气分子不断撞击皮肤，形成了持续的作用力。如今，物理学家通过探测气体中的单个原子撞击悬浮在激光中的微小玻璃球（纳米颗粒），观测到这一过程。这项技术即将发表于《物理评论快报》，有望建立全新的压力定义标准、拓展量子理论的研究边界，还能助力科学家搜寻新粒子。
“这是一篇非常出色的论文。”奥地利维也纳大学的Markus Aspelmeyer评价，“这项技术十分精妙，证明了这些被俘获的纳米球具备极高的传感潜力。”
一个悬浮的纳米颗粒反射光线，呈现为一个白点。图片来源： Thomas Penny/Yale Wright Lab
1827年，英国植物学家Robert Brown在显微镜下观察发现，悬浮在水中的花粉颗粒会永不停歇地做无规则晃动。近百年之后，著名物理学家爱因斯坦解释说，这种“布朗运动”源于水分子不断撞击花粉颗粒。他推导得出颗粒的平均运动与其尺寸、流体黏度及温度之间的关系，将经典热力学与当时新兴的统计力学理论联系到一起。不过，爱因斯坦并未探讨颗粒与水分子之间的单次碰撞过程。
如今，美国耶鲁大学的David Moore及团队通过将一颗直径100纳米的二氧化硅小球置于极稀薄气体环境中，观测到这种独立的碰撞事件。小球悬浮在真空腔体内的激光束中，像弹簧上的小球一样来回晃动。小球还会反射部分激光，反射光的波形会随小球位置发生改变。研究人员借助干涉测量这一精度极高的技术对比了入射光与反射光，进而追踪小球的运动状态。
为把碰撞次数控制在可观测范围，Moore团队仅向真空腔内注入了极微量气体——氪气或氙气，气压不到大气压的百亿分之一。“我们选用这两种原子是因为它们质量大，动量也更大。”Moore说。研究团队还使用了六氟化硫分子气体。气体原子或分子偶尔会撞击小球，使其运动加剧或者减弱。
此外，纳米小球的晃动也会来源于真空腔体内残留水分子及激光光子的撞击。为从各类噪声中筛选出有效信号，研究团队借鉴了激光干涉引力波天文台（LIGO）的研究思路，该设备用于探测引力波与天体并合事件。
研究团队模仿LIGO的处理方式，把含有噪声的实验数据和预设信号模板进行匹配。模板是通过施加电场对纳米颗粒进行可控撞击生成的。利用模板匹配，研究人员识别出每一次独立碰撞，并且测算出每次撞击给小球带来的动量变化。
并非只有Moore团队观测到这类碰撞。瑞士苏黎世联邦理工学院的Lukas Novotny团队也取得相关成果，研究发表于《物理评论A》。该团队没有注入稀薄气体，而是向被俘获的纳米颗粒发射高能氙原子束。“我们可以定向发射原子。”论文第一作者Maxime Perdriat表示，团队还可以在一定程度上判断原子的入射方向，这一能力有助于科学家探测来自宇宙特定方向的未知粒子。
观测这类碰撞，将帮助物理学家检验量子理论的适用极限。Aspelmeyer表示，未来或许可以把尺寸更大的悬浮小球这种宏观物体制备到奇特量子态，当与真空腔体内残留的原子、分子发生碰撞时，这种量子态就会坍缩。因此Moore这类实验可以明确需要多高的真空度，才能让量子态维持足够时间以供测量。
这种系统还有望建立超高真空环境下全新的压力基准，就如同原子钟定义时间单位“秒”一样。美国国家标准与技术研究院的Daniel Barker提出，研究人员可以通过统计碰撞次数测定气压。所谓的基准标准不能依赖其他压力测量手段或校准，同时要具备明确的不确定度，还需要获得国际计量学界的认可。
Barker表示，这项新技术距离达到上述标准还有很大差距，但“看完这篇论文，能看到实现该目标的所有基础要素都已具备”。
Moore设想了另一个应用方向。他计划给纳米小球负载氟-18原子核，该原子核可以捕获电子，同时释放出几乎无法直接探测的中微子。但逃逸的中微子会给纳米小球带来可观测的反冲。利用这一效应，科研人员有望开展中微子质量相关研究，验证普通中微子是否会转化为质量更大的惰性中微子。有观点认为惰性中微子是宇宙绝大部分物质的构成。