自由坠落的“苹果”还能发现什么_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2018-11-01 13:12
作者：Johanna L. Miller
翻译：loulou
审校：Aprilis&Nothing
自由落体实验是科学界中的传奇。据说伽利略通过从比萨斜塔上丢下炮弹向他的学生证明重力加速与质量无关。牛顿经常回忆起苹果下落的故事，这促使他开始思考长程作用的引力。（然而，并没有证据表明苹果落在他头上。）
如今Erik Hebestreit和他的导师Lukas Novotny，以及他们在苏黎世联邦理工学院的同事们已经将故事中的 “苹果”缩小到了纳米尺度。通过将硅纳米颗粒悬浮在光阱中（如图1）并短暂释放它们，他们可以测量重力或任何其他恒力对粒子的影响。
图1. 在真空室的中心线上可以看见微小的绿点，这就是纳米机械力传感器的基础——光学悬浮的纳米粒子
这种测量方法对力测量的灵敏度达到了10 aN（1 aN=10-18N），相当于尺寸为136nm的纳米微粒重量的一半（这也是相隔200公里的两个重量为80公斤的人之间的引力）。尽管精度不那么尽如人意（误差约为被测量的力的20％），该方法仍然可用于研究短程、恒定，纳米尺度下力学的大部分未知领域。
受干涉仪启发
纳米粒子不是观察过的自由落体中的最小物体。二十年前，Steven Chu及其同事就研究了原子干涉仪中正在下落的原子。通过利用已经获得诺贝尔奖的冷却和诱捕技术，他们测量了重力引起的加速度，精确度达到十亿分之三，足以观察到地球自身因每天的两次潮汐产生的振荡。
2015年，Andrew Geraci与Hart Goldman提出了一个类似物质波干涉仪的想法，这种干涉仪不是基于原子云，而是固体纳米球，固体纳米球的非局域波函数会干涉自身。根据他们的分析，干涉仪会对纳米球与附近的微米级物体之间的吸引力十分敏感，这种相互作用可以揭示万有引力在短程上与牛顿万有引力定律的偏差。
这当然是一个大胆的想法。为了达到如此精确的灵敏度，实验者必须将纳米球冷却到光阱的量子基态，这一壮举就如今来看也仍然超出我们的能力。
然而，苏黎世联邦理工学院的研究人员受到了这一想法的启发。如果他们能够进行纳米粒子自由落体实验，即使没有将粒子冷却到基态，他们也可以清除许多实验障碍，从而实现Geraci和Goldman的想法。这样一来他们就可以创建一个自我校正的纳米尺度传感器。新论文的作者Martin Frimmer评论这是“下一个可能实现的一步”。
抓住和释放
该方案的原理不难理解，如图2所示，纳米颗被限制在谐波光阱的中心。关闭光阱几分之一毫秒，在此期间粒子在力F作用向下移动，力F可以是重力，也可以不是重力。当重新激活光阱时，粒子不再处于中心附近，并且研究人员可以精确地测量到它以很大的振幅振荡。
图2.我们利用光阱来制造力传感器。纳米粒子开始（a）在谐波光阱的中心，具有小但非零的能量E0。关闭陷阱（b），粒子在静力F（作用）下远离光阱中心。当光阱重新开启（c）时，粒子以更大的能量E振荡。粒子的直径和位移均为100nm
最终振荡能量E取决于F和下降持续时间T，还取决于陷阱关闭瞬间的粒子速度v0。因为初始振荡能量E0很小但非零，所以v0通常也是非零的且不可预测。
为了最大限度地减少这种不确定性的来源，研究人员为确定T的几个值重复了数千次的下落和捕获过程。如果F = 0并且粒子的运动仅由v0表征，则平均E（基本上是位移平方的平均）与T2成比例。非零F引入T4项，通过拟合数据，研究人员可以得到F。
然而，纳米世界存在许多惊喜，作用于粒子的作用力并不总是人们希望测量的力。例如，快速打开关闭激光束的常用方法是使用声光或电光调制器，因为机械快门太慢了。而AOM（声光调制器）或EOM（电光调制器）不是完全关闭光束，而是将其衰减至大约一千分之一。光阱中的残余光足以淹没弱静力的测量。为了将残余光降低到可接受的低水平，苏黎世联邦理工学院的研究人员将AOM和EOM串联，然后同时打开和关闭。
静电力带来了另一项技术挑战。必要时光阱需要位于玻璃透镜的正下方。而作为电介质的玻璃容易产生过多的表面电荷。产生的电场非常大：大约为数百V/m，足以在带有一个基本电荷的粒子上施加数十阿牛（阿牛就是aN，1 aN=10-18N）的力。
研究人员发现没有消除这种杂散场的实用方法。（Frimmer说，“在现实世界里真的没有’没有场’的东西。”）不过他们确实找到了一种释放纳米微粒上电荷的方法——将一堆带电的微粒同时放到交流电场之中进行振荡。当纳米粒子在驱动场下停止振荡时，其电荷为零，并且实验准备好进行。作为原理的证明，他们的方法也可以测量施加的静电力，研究人员赋予纳米粒子额外的电子，测量残余场的力和施加的场的力，并测量残余场的力，相减就得到施加的静电力。
范德华力和卡西米尔-波尔德色散力
大量的力传感方案都是基于机械谐振器，它们具有比 “纳米苹果”自由落体更好的灵敏度和精度。但它们仅限于测量随时间变化的力。对于恒定存在的重力，或者其他一些力，我们难以控制它存在或者不存在。测量这些力的时候，我们就需要借助“纳米苹果”的力量。
特别有意思的是范德华力（van der Waals）和卡西米尔-波尔德色散力（Casimir–Polder dispersion forces）之间的交界处。间距紧密的原子之间会产生范德华力。这是一种因为交换虚光子导致的非相对论量子效应。对于较大的物体和较远的距离，就是相对论效应发挥作用的时候了。正如Hendrik Casimir和Dik Polder分析的那样：非零传播时间对虚光子变得重要起来，并且力随着距离的变化而变化。在数十至数百纳米的尺度范围，我们将有可能找到非相对论和相对论之间的界限。这一范围一直难以探索，直到苏黎世联邦理工学院研究人员的工作惊喜亮世。
研究人员计划将纳米颗粒从一个非常靠近垂直玻璃板的位置释放，观察其坠落，进而研究它们所受到的色散力。通过分别测量水平和垂直振荡，他们希望确定颗粒是直接下落还是被板吸引或排斥。然而，这个实验又带来了另一个技术障碍：“我们需要处理玻璃上的反射光，”Frimmer说。 “但我们正在学习如何做到这一点。”
原文链接：https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4037