Atmosféra na nás tlačí: nespočetné množstvo molekúl vzduchu sa odráža od našej pokožky a neustále na nás vyvíja tlak. Fyzici nedávno tieto mikroskopické zrážky aj pozorovali, keď zachytili nárazy jednotlivých atómov plynu do drobnej sklenenej guľôčky, teda nanočastice, levitujúcej v laserovom lúči. Technika opísaná v štúdii pripravenej na uverejnenie v časopise Physical Review Letters by mohla viesť k novému štandardu určovania tlaku, posunúť hranice kvantovej teórie a pomôcť vedcom pri hľadaní nových častíc.
„Je to fantastická štúdia,“ hovorí Markus Aspelmeyer, kvantový fyzik z Viedenskej univerzity, ktorý sa na výskume nepodieľal. „Z technologického hľadiska je naozaj pôsobivá a ukazuje, aké účinné môžu byť tieto zachytené nanoguľôčky ako senzory.“
Neposedné častice
V roku 1827 britský botanik Robert Brown pri pozorovaní mikroskopom zistil, že peľové častice vznášajúce sa vo vode sa neustále chvejú. Takmer o storočie neskôr Albert Einstein vysvetlil, že tento takzvaný Brownov pohyb spôsobujú zrážky molekúl vody s peľovými časticami. Odhadol aj to, ako priemerný pohyb častíc závisí od ich veľkosti, viskozity kvapaliny a teploty. Pomohol tým prepojiť staršiu termodynamiku s vtedy vznikajúcou teóriou štatistickej mechaniky. Jednotlivými zrážkami častíc s molekulami vody sa však Einstein nezaoberal.
David Moore, jadrový a časticový fyzik z Yaleovej univerzity, a jeho kolegovia nedávno zachytili práve takéto jednotlivé zrážky. Guľôčku z oxidu kremičitého s priemerom 100 nanometrov vystavili pôsobeniu mimoriadne riedkeho plynu.
Guľôčka levitujúca v laserovom lúči vo vákuovej komore kmitala v optickej pasci tam a späť podobne ako loptička pripevnená na pružine. Zároveň odrážala časť laserového svetla, pričom sa fáza svetelnej vlny menila podľa polohy guľôčky. Vedci dokázali sledovať jej pohyb pomocou mimoriadne presnej techniky nazývanej interferometria, pri ktorej porovnávali dopadajúce a odrazené svetlo.
Aby počet zrážok zostal dostatočne nízky na ich sledovanie, Moore a jeho kolegovia vpustili do vákuovej komory len nepatrné množstvo plynu. Jeho hustota predstavovala iba desaťmiliardtinu hustoty, akú by mala atmosféra tvorená kryptónom alebo xenónom za bežných podmienok. „Tieto atómy sme si vybrali preto, lebo sú ťažké, a tak odovzdávajú o niečo väčšiu hybnosť,“ hovorí Moore. Výskumníci použili aj molekulový plyn, hexafluorid síry. Z času na čas do guľôčky narazil atóm alebo molekula plynu a jej pohyb tým buď zosilnil, alebo utlmil.
Pohyb nanočastice ovplyvňovali aj zrážky s molekulami vody, ktoré zostali vo vákuovej komore, a s fotónmi laserového svetla. Pri oddeľovaní signálu od šumu sa vedci inšpirovali technikou observatória LIGO, laserového interferometrického observatória gravitačných vĺn, ktoré zachytáva vlnenie časopriestoru vznikajúce pri zrážkach čiernych dier. Podobne ako pri metódach LIGO aj Moore a jeho kolegovia porovnávali zašumené údaje s vopred pripravenými „šablónami signálu“. Vytvorili ich tak, že nanočastici pomocou elektrického poľa udeľovali kontrolované impulzy. Vďaka porovnávaniu dokázali identifikovať jednotlivé zrážky aj určiť, ako veľmi každý náraz zmenil hybnosť guľôčky.
Miniatúrne interakcie
Moore a jeho kolegovia nie sú jediní, komu sa podarilo takéto zrážky zachytiť. Vedci z ETH Zürich pod vedením Lukasa Novotného predstavili podobné výsledky v štúdii uverejnenej v auguste 2026 v časopise Physical Review A . Švajčiarski výskumníci nevystavili zachytenú nanočasticu oblaku plynu, ale zväzku atómov xenónu s vyššou energiou. „Máme metódu, ktorá nám umožňuje riadiť prívod atómov,“ vysvetlil Maxime Perdriat, hlavný autor štúdie. Vedci dokázali do istej miery určiť aj to, odkiaľ atóm priletel. Táto schopnosť by mohla pomôcť pri hľadaní nových častíc prichádzajúcich z určitých smerov vo vesmíre, dodáva výskumník.
Schopnosť zachytiť takéto zrážky môže fyzikom pomôcť pri testovaní hraníc kvantovej teórie. Makroskopický objekt, napríklad väčšiu levitujúcu guľôčku, by možno bolo možné uviesť do nezvyčajného kvantového stavu, v ktorom sa nachádza na dvoch miestach súčasne. Zrážky s atómami alebo molekulami pohybujúcimi sa vo vákuovej komore by spôsobili kolaps takýchto stavov, hovorí Aspelmeyer. Experimenty podobné Moorovmu preto môžu odhaliť, aké kvalitné vákuum je potrebné na to, aby kvantový stav pretrval dostatočne dlho a dal sa zmerať.
Takýto systém by sa dal využiť aj na vytvorenie nového štandardu určovania tlaku v ultravysokom vákuu, podobne ako atómové hodiny určujú sekundu.
„Vedci by mohli určovať tlak počítaním zrážok,“
hovorí Daniel Barker, fyzik z amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie (NIST), ktorý sa nezúčastnil ani na jednej z nových štúdií. Takzvaný primárny etalón nesmie závisieť od iného merania tlaku ani od kalibrácie. Musí mať tiež presne známe neistoty merania a získať súhlas medzinárodnej metrologickej komunity. „Nová technika má od tejto úrovne ešte ďaleko, ale keď sa pozrieme na štúdiu, v podstate v nej nájdeme všetko, čo by mohlo byť potrebné,“ hovorí Barker.
Moore si vie predstaviť aj ďalšie využitie. Plánuje guľôčku obohatiť fluórom-18, ktorého jadro dokáže zachytiť elektrón a pritom vyžiariť takmer nezachytiteľnú časticu nazývanú neutríno. Unikajúce neutríno by nanočastici udelilo merateľný impulz. To by vedcom mohlo pomôcť pri meraní hmotnosti neutrína aj pri skúmaní, či sa bežné neutríno môže občas zmeniť na ťažšie „sterilné“ neutríno. To je jednou z hypotetických zložiek neviditeľnej tmavej hmoty, ktorá podľa súčasných predstáv tvorí väčšinu hmoty vo vesmíre. Tieto drobné zrážky a ich skúmanie tak môžu otvoriť cestu k poznaniu v kozmickom meradle.
