Only Perception: 科學家記錄到「攸牛頓」的力

2010-10-10

科學家記錄到「攸牛頓」的力

Scientists record yoctonewton forces
http://www.physorg.com/news190449563.html

By Lin Edwards, April 14, 2010

(PhysOrg.com) -- 澳洲與美國的科學家發現，「受陷」的離子是「極為敏感的」力偵測器，而且已使用它們來記錄至今所測得最微小的力。

這些研究者，來自雪梨大學（澳洲新南威爾斯省）以及 NIST（美國科羅拉多州），使用他們的系統所測得的力，比先前所測得的任何力還要小上三個數量級。這些力只有 174 攸牛頓（yoctonewtons）這麼小，或 174「涅槃寂靜分之一（septillionths，注意，涅「盤」是別字）」牛頓（即 174 x 10^-24 牛頓）。

雪梨大學的 Michael Biercuk 教授等人利用「禁錮阱（Penning trap）」，這是一種裝置，其中的離子因強烈磁場而在二個維度上受限，而第三維則受限於一個弱靜電場。大約 60 個鈹（beryllium）離子位於阱中，而且維持在非常寒冷的狀態下藉此消除熱效應所造成的運動。這些離子帶電，而且正常地在阱的中央列隊。它們會受到偏離的（straystray）電場或磁場影響，那導致它們振動並從中心移開。

藉由自離子反射雷射並測量光頻率中的任何都卜勒位移（Doppler shift），任何由施力所產生的運動都會被偵測到。（當離子朝偵測器那邊移動時，所偵測到的光頻率會稍微高一點，遠離時則低一點。）這套偵測系統能夠在「攸牛頓」的範圍內測量力的強度。

直到當前實驗為止，所測得的最小力落於阿牛頓（attonewton，10^-18 牛頓）範圍內。這些測量是將微米或奈米等級的共振器與單電子電晶體（single-electron transistors）這樣的系統（即超導微波共振腔，superconducting microwave cavities）耦合而測得。能夠偵測微小的力對於基礎物理現象的檢測以及精確的自旋共振成像這類應用十分重要。

這些研究者希望最終能用阱內單一個鈹離子測得 1 攸牛頓的力，而他們相信他們的實驗將導致基於受限離子的新等級共振器的發展。他們的結果現在發表在預行出版的 ArXiv 上。

※ 相關報導：

＊ Ultrasensitive detection of force and displacement using trapped ions
http://www.nature.com/nnano/journal/v5/n9/full/nnano.2010.165.html

Michael J. Biercuk, Hermann Uys, Joe W. Britton,
Aaron P. VanDevender & John J. Bollinger
Nature Nanotechnology 5, 646 - 650 (2010)
Published online: 22 August 2010
doi: 10.1038/nnano.2010.165
arXiv: 1004.0780v4 [quant-ph]