Физики создали рекордно точный подводный фотонный «динамометр»

Физики из Гарвардского университета и Брюссельского свободного университета разработали технику, позволяющую измерять силы величиной в единицы фемтоньютонов с точностью менее одного фемтоньютона в жидкости. Столь слабые взаимодействия оказываются сравнимыми с воздействием от столкновений, вызванных броуновским движением молекул в жидкости, поэтому измерить их напрямую очень сложно. С использованием оптических методов ученым удалось превзойти доступную ранее чувствительность почти в сто раз. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics. 

В качестве тел, воздействие на которое требовалось измерить, ученые выбрали шарики диаметром от 500 нанометров до трех микрон. Шарики удерживались в заданной точке с помощью оптического пинцета — сфокусированного луча лазера. Он фиксирует диэлектрическую бусину на оси луча за счет градиента электромагнитного поля, создаваемого излучением. Шарик помещали под воду над стеклянной призмой, на которую был направлен снизу слабый луч лазера. Угол падения луча физики выбрали таким, чтобы достигалось полное внутреннее отражение. При этом со стороны шарика возникало эванесцентное поле — особый вид излучения, экспоненциально ослабляющийся с увеличением расстояния от поверхности. Это излучение использовалось для того, чтобы измерить, как сильно сместился шарик от положения равновесия.

Роль источника измеряемой силы выполнил третий лазер, также расположенный снизу от призмы. Он был мощнее, чем измерительный лазер и точно также создавал эванесцентное поле. Как и электромагнитное поле оптического пинцета, третий лазер влиял на положение бусины, притягивая ее по градиенту к поверхности призмы. Ученые заранее теоретически оценили усилие, вызываемое эванесцентным полем — его величина оказалась в пределах от единиц до десятков фемтоньютонов.

Для того, чтобы лучше выделить необходимый сигнал смещения бусин из «шума» от броуновского движения молекул воды, авторы модулировали сигнал третьего лазера, с определенной частотой помещая на его пути заслонку и убирая ее. Собирая статистику сигнала на протяжение 100 секунд физикам удалось измерить силу, действующую со стороны эванесцентного поля с точностью менее одного фемтоньютона. Кроме того, исследователи отмечают, что достигнутая чувствительность на два порядка превосходит существующие техники.

По словам ученых, чувствительность и точность метода позволяет исследовать ранее недоступные в жидких средах явления, например, взаимодействия со светом хиральных частиц. Главным требованием для методики является возможность модулировать сигнал, а также усреднять экспериментальные данные на промежутках порядка ста секунд. Поэтому для быстрых процессов она не подойдет. Другие возможные применения техники включают в себя исследование свойств живых клеток.

Владимир Королёв