با ضعیف‌ترین نیروی جهان آشنا شوید

[Omid7]

دانشمندان با استفاده از شصت اتم برلیوم، دقت اندازه‌گیری نیروها را یک میلیون بار افزایش داده‌اند و نیروی 174 یوکتو نیوتن را اندازه‌گیری کنند که هزارمیلیاردمیلیارد بار سبک‌تر از یک وزنه یک گرمی است.

گروهی از محققان با هل دادن تنها 60 یون توسط یک میدان الکتریکی بسیار کوچک، موفق شدند تا کوچک ترین نیروی جهان را اندازه بگیرند. نتیجه کار، اندازه‌گیری نیرویی معادل چند یوکتو نیوتن (هر یوکتو معادل 10 به توان منفی 24 یا یک میلیون‌میلیاردمیلیاردیم است) است، و توانسته رکورد قبلی را با اختلاف بسیار زیادی شکست دهد. گروه انجام دهنده این کار در انستیتو ملی استاندارد و فناوری بولدر کلرادو، امیدوارند که استفاده از این تکنیک نهایتا بتواند منجر به ساخت ابزارهایی جدید، برای اندازه‌گیری خصوصیات بسیار کوچک سطح مواد شود.

به گزارش نیچر، اندازه‌گیری نیروهای بسیار کوچک برای تصویربرداری سطوح اتمی و تشخیص اسپین هسته‌ای حیاتی است، اما انجام چنین کاری به دلیل ابعاد فوق العاده کوچکی که با آنها سر و کار داریم بسیار دشوار است.

پیش از این محققان توانسته بودند نیروهایی از مرتبه آتو نیوتن (هر آتو معادل 10 به توان منفی 18 است) را، با اعمال فشارهای کم به سیم‌ها یا پاروهای میکروسکوپی، و مشاهده ارتعاش آنها اندازه‌گیری کنند. چنین سیستمی اگرچه به خوبی کار می‌کند، اما استفاده از آن به دلایلی از جمله اندازه نسبتا بزرگ سیستم، با محدودیت مواجه است.


تکنیک جدید به جای استفاده از سیستم‌های پارویی شکل، تنها از 60 یون بریلیوم-9 استفاده می‌کند. گروه تحقیقاتی یون‌ها را در یک چیدمان کلوچه‌شکل پهن کرد و این مجموعه را با استفاده از میدان‌های مغناطیسی در هوا معلق نگاه داشت. سپس یک پرتوی لیزر به سمت یون‌ها شلیک شد و با تنظیم دقیق اشعه لیزر و خارج کردن انرژی از این کلوچه اتمی، دمای این مجموعه به تنها نیم میلی‌کلوین (پنج ده‌هزارم) رسانده شد.

پس از انجام این مقدمات، با استفاده از یک میدان الکتریکی کوچک، به این کلوچه اتمی ضربه زده شد. این ضربه یون‌ها را به لرزش درآورد و باعث تغییر قابل تشخیصی در نور لیزر منعکس شده گردید. بر اساس میزان تغییر نور، گروه تخمین زد که نیروی به کوچکی 174 یوکتو نیوتن را اندازه گرفته است. چنین نیرویی حدود هزار بار کوچک‌تر از اندازه‌گیری‌های قبلی است.


جرم کم، نیروی اندک
کریس مونرو، فیزیک‌دان دانشگاه مریلند که در تحقیقات شرکت نداشته، می‌گوید: «آنچه باعث می‌شود این سیستم کار کند، وزن فوق‌العاده سبک آن است.»

طبق قانون دوم نیوتن، نیرو برابر حاصل‌ضرب جرم در شتاب است؛ بنابراین یک جرم کم به یک نیروی اندک حساس است. با وزنی در حدود 0.1 یوکتو کیلوگرم، این مجموعه 60 تایی از یون‌های بریلیوم-9، یکی از سبک‌ترین وسایل ممکن برای اندازه‌گیری نیرو را تشکیل می‌دهد.

مونرو می‌گوید که چیز جدید و خاصی درباره این تکنیک وجود ندارد. مجموعه اتم‌های فوق‌سرد هم‌اکنون نیز موضوع مطالعات بسیاری هستند. نوآوری این گروه، استفاده از یون‌های فوق‌سرد به عنوان حسگرهای فوق حساس نیرو بود. در مقاله‌ای که گروه منتشر کرده، اشاره شده است که امکان ساخت ابزارهای حساس‌تر، با استفاده از تعداد کمتری از اتم‌ها وجود دارد.

اگرچه مونرو اصول کار انجام شده را تایید می‌کند، اما اشاره می‌کند که تعداد اتم‌ها باعث می‌شود اشعه لیزر نقش تعیین کننده‌ای در اندازه‌گیری داشته باشد.

گروه تحقیقاتی امیدوار است که نهایتا از یون‌های بریلیوم در تمام زمینه‌ها، به عنوان یک آشکارساز نیروهای بسیار کوچک استفاده شود. کنراد لنرت که رکورد قبلی اندازه‌گیری نیرو را با استفاده از یک سیم لرزان در اختیار داشت، می‌گوید: «شما می‌توانید از این ابزار برای اندازه‌گیری‌های نیروهای بنیادی استفاده کنید. به طور خاص، ممکن است بررسی گرانش و تاثیرات کوانتومی در مقیاس‌های فوق کوتاه با این سیستم امکان‌پذیر باشد.»

با این حال، مونرو نسبت به استفاده از این تکنیک هشدار می‌دهد. به گفته وی برای استفاده از این سیستم، باید یون‌ها را در یک محفظه خلاء به صورت مجزا نگهداری کرد که استفاده‌های عملی از این تکنیک را دشوار می‌سازد. البته وی اضافه می‌کند که توسعه این تکنیک، با جایگزین کردن کلوچه‌های اتمی با یک وسیله کاربردی‌تر امکان‌پذیر است.