Pojedynczy atom gazu wywiera siłę tak małą, że jej bezpośrednie wykrycie stanowi ogromne wyzwanie dla współczesnej fizyki. Zespołowi ze Stanów Zjednoczonych udało się jednak zaobserwować skutki takich zderzeń dzięki wykorzystaniu nanocząstki unoszonej za pomocą lasera. Wyniki eksperymentu i płynącego z niego wnioski trafiły na łamy Physical Review Letters.
Czytaj też: Kwantowa siła poruszyła diamentem. Fizycy polują na kota Schrödingera
W codziennych warunkach ciśnienie gazu jest efektem niezliczonych zderzeń atomów i cząsteczek ze sobą oraz z powierzchniami otaczających je obiektów. Pojedyncze uderzenie jest niezwykle słabe, lecz suma takich oddziaływań może wywoływać zauważalne skutki. Przykładem jest powietrze wewnątrz balonu, którego ciśnienie pomaga utrzymać jego kształt.
Aby zbadać pojedyncze zderzenia, naukowcy zastosowali szklaną nanokulkę o średnicy około 100 nanometrów. Jej masa wynosiła zaledwie około jednej biliardowej grama. Obiekt utrzymywał się w powietrzu za pomocą wiązki laserowej wewnątrz komory próżniowej. Następnie do komory trafiły niewielkie ilości gazów: kryptonu, ksenonu oraz sześciofluorku siarki. Krypton i ksenon występują w postaci pojedynczych atomów, natomiast sześciofluorek siarki składa się z cząsteczek. Dzięki temu badacze mogli sprawdzić, jak różne rodzaje cząstek oddziałują z nanokulką.
Największą trudnością było wykrycie reakcji nanocząstki na uderzenie pojedynczego atomu lub cząsteczki. Badany obiekt był około dziesięciu milionów razy masywniejszy od pojedynczej cząstki gazu, dlatego zmiana jego ruchu pozostawała niezwykle niewielka. Wyjściem z sytuacji okazało się monitorowanie światła lasera odbitego od nanokulki. Analizując zmiany sygnału optycznego, naukowcy mogli rejestrować jej drobne drgania wywołane kolejnymi zderzeniami.
Mierzone impulsy były wyjątkowo małe: odpowiadały sile rzędu jednej miliardowej niutona działającej przez jedną dziesięciobilionową sekundy. Mimo tak krótkiego czasu oddziaływania udało się wykryć jego konsekwencje. Badacze zauważyli również, że wraz ze zwiększaniem ilości gazu w komorze rosła częstotliwość zderzeń z nanocząstką. Oznacza to, że technika może dostarczać informacji zarówno o oddziaływaniach, jak i warunkach panujących w badanym środowisku.
Czytaj też: Fizycy uwięzili antycząstkę na długie tygodnie. Mówią, że to klucz do rozwikłania tajemnicy wszechświata
Jednym z potencjalnych zastosowań opracowanej metody jest pomiar bardzo niskiego ciśnienia. Tradycyjne metody mogą wykazywać ograniczenia w warunkach, w których liczba cząstek gazu jest skrajnie mała. Rejestrowanie pojedynczych zderzeń mogłoby pozwolić na dokładniejszą analizę takich środowisk, między innymi w komorach próżniowych wykorzystywanych w badaniach naukowych. Technika ta mogłaby również pozwolić na rozróżnianie różnych gazów na podstawie sposobu, w jaki oddziałują z nanocząstką. W przyszłości podobne rozwiązania znalazłoby więc zastosowanie w instrumentach badających skład otoczenia poza Ziemią.
