Физики изготовили левитирующий сенсор для измерения электрического заряда

Американские физики изготовили зарядовый сенсор на основе оптически левитирующей микрочастицы. Благодаря компенсации электрического дипольного момента частицы за счет ее вращения они добились чувствительности в измерении электрического монополя, равной 3,3 × 10⁻⁵ элементарного заряда. Такой сенсор может быть полезен в поисках физики за пределами Стандартной модели. Исследование опубликовано в Science Advances.

Материя, организованная в форме микрочастиц, занимает особое место в физике. С одной стороны, такие частицы уже достаточно велики, чтобы было сравнительно просто визуализировать и воздействовать на них оптическими методами. Мы уже рассказывали, как ученые заставляют микрочастицы разбегаться, или, наоборот, собираться в случайный лазер, а также изготавливают из них оптические материалы с фотонной запрещенной зоной.             

С другой стороны, частицы все еще достаточно легки, чтобы долго оставаться взвешенными в коллоидных растворах или быть подконтрольными действию оптического пинцета. В последнем случае силы пинцета достаточно, чтобы удерживать одну микрочастицу  на нужной высоте. В этом случае говорят про оптическую левитацию. Подробнее про разные типы левитации, которые физики используют в своих лабораториях, читайте в материале «Левитация для маглов».

Оптически левитирующие частицы стали замечательным инструментом для симуляций многих тел за счет того, что в лазерном поле они поляризуются и потому могут электростатически взаимодействовать контролируемым образом, если оказываются подвешены поблизости. Таким способом физики научились управлять несимметричным взаимодействием и поняли, от чего зависит симпатическое охлаждение в такой системе.

Другим применением оптической левитации стали сенсорные технологии. Дело в том, что висящую микрочастицу можно хорошо экранировать от окружающих воздействий, и тогда ее поведение станет чувствительным к слабым полям. Это даже позволяет применять левитирующие частицы для поиска эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели. Увеличение чувствительности таких сенсоров основано на подавлении мультипольных взаимодействий нейтральной частицы с неоднородностями полей, создаваемых экспериментальной установкой.

Идя по этому пути, группа физиков Надав Приэль (Nadav Priel) с коллегами из Стэнфордского университета построила зарядовый сенсор на основе левитирующих микрочастиц с чувствительностью, равной 3,3 × 10⁻⁵ элементарного заряда. Такое устройство способно чувствовать мельчайший дисбаланс электронной и протонной зарядовой плотности, а также искать гипотетические частицы с дробным электрическим зарядом (миллизаряженные частицы), что может внести свой вклад в поиск темной материи.

Чувствительность оптически левитирующих зарядовых сенсоров основана на том, что масштаб сил, действующих на подвешенную в лазерном поле микрочастицу существенно меньше такового на макроскопическом уровне. Добавление или извлечение в частицу всего лишь одного элементарного заряда в присутствии электрического поля может сильно повлиять баланс сил, что довольно легко зафиксировать. Мы уже рассказывали, как этот эффект можно измерить с помощью обычной линейки.

Для поиска миллизаряженных частиц, потенциально содержащихся в подвешенной микросфере, чувствительность сенсора должна быть существенно выше. Задача усложняется тем, что даже в условии полной электрической нейтральности рабочее микротело сенсора все еще подвержено действию сил, обусловленных собственным и наведенным электрическим дипольным моментом, который характеризует то, насколько неоднородно заряды распределены по микрочастице. Дипольный момент у микрочастиц невозможно выключить. Однако его вклад в движение рабочего тела можно подавить, если проводить долгосрочное усредненное измерение, в котором дипольный момент будет постоянно менять направление.

Для реализации этой идеи физики подвешивали оптическим пинцетом кремниевые микрочастицы диаметром около 7,5 микрометра внутри куба, образованного шестью электродами в форме усеченных пирамид. В электродах были проделаны отверстия для механического и оптического доступа к середине, а в рабочей камере поддерживался вакуум. Положение рабочего микротела в горизонтальной плоскости ученые определяли с помощью камеры по рассеянному им свету, для контроля вертикальной координаты они следили за фазой отраженного света. Перед экспериментом авторы добивались нейтральности микрочастиц, добавляя или отбирая у них электроны с помощью ультрафиолетовых импульсов.

После подготовки и подвешивания микрочастиц в оптическом пинцете с длиной волны 1064 нанометра физики раскручивали их в горизонтальной плоскости, прикладывая синусоидальное напряжение на боковые электроды с частотой порядка сотни килогерц. Затем ученые на десять секунд поочередно прикладывали низкочастотное синусоидальное напряжение к верхнему и нижнему электродам и измеряли положение частицы, после чего цикл измерения повторялся в течение нескольких часов. Такой подход позволил скомпенсировать вертикальные компоненты дипольного момента.

Физики экспериментировали с различными параметрами установки: амплитудами и частотами напряжений, расстояниями между электродами, длительностью экспериментов. Комбинируя все результаты, они добились чувствительности, равной 3,3 × 10⁻⁵ элементарного заряда. По словам автором, ряд улучшений позволит в ближайшее время довести чувствительность установки до 4 × 10⁻⁸, в то время как фундаментальный предел технологии лежит в области 10⁻¹¹ единиц элементарного заряда, что сопоставимо с астрономическими методами поиска миллизаряженных частиц. Другим применением левитирующего сенсора станет проверка нейтральности материи, то есть разницы в зарядах протона и электрона.

Хотя Стандартная модель не допускает свободных зарядов, меньше элементарного, а также отклонения от него для разных частиц, это все может быть лишь приближением к реальной картине мира. Другими экспериментами по поиску Новой физики в похожем ключе стали поиск электрического заряда у нейтрона и поиск различий между протоном и антипротоном.