مبحث پیرامون مکانی و ترمودینامیک می باشد...
دانشمندان با استفاده از شصت اتم برليوم، دقت اندازه‌گيري نيروها را يك ميليون بار افزايش داده‌اند و نيروي 174 يوكتو نيوتن را اندازه‌گيري كنند كه هزارميلياردميليارد بار سبك‌تر از يك وزنه يك گرمي است.
گروهي از محققان با هل دادن تنها 60 يون توسط يك ميدان الكتريكي بسيار كوچك، موفق شدند تا كوچك ترين نيروي جهان را اندازه بگيرند. نتيجه كار، اندازه‌گيري نيرويي معادل چند يوكتو نيوتن (هر يوكتو معادل 10 به توان منفي 24 يا يك ميليون‌ميلياردميليارديم است) است، و توانسته ركورد قبلي را با اختلاف بسيار زيادي شكست دهد. گروه انجام دهنده اين كار در انستيتو ملي استاندارد و فناوري بولدر كلرادو، اميدوارند كه استفاده از اين تكنيك نهايتا بتواند منجر به ساخت ابزارهايي جديد، براي اندازه‌گيري خصوصيات بسيار كوچك سطح مواد شود.
به گزارش نيچر، اندازه‌گيري نيروهاي بسيار كوچك براي تصويربرداري سطوح اتمي و تشخيص اسپين هسته‌اي حياتي است، اما انجام چنين كاري به دليل ابعاد فوق العاده كوچكي كه با آنها سر و كار داريم بسيار دشوار است.
پيش از اين محققان توانسته بودند نيروهايي از مرتبه آتو نيوتن (هر آتو معادل 10 به توان منفي 18 است) را، با اعمال فشارهاي كم به سيم‌ها يا پاروهاي ميكروسكوپي، و مشاهده ارتعاش آنها اندازه‌گيري كنند. چنين سيستمي اگرچه به خوبي كار مي‌كند، اما استفاده از آن به دلايلي از جمله اندازه نسبتا بزرگ سيستم، با محدوديت مواجه است.
تكنيك جديد به جاي استفاده از سيستم‌هاي پارويي شكل، تنها از 60 يون بريليوم-9 استفاده مي‌كند. گروه تحقيقاتي يون‌ها را در يك چيدمان كلوچه‌شكل پهن كرد و اين مجموعه را با استفاده از ميدان‌هاي مغناطيسي در هوا معلق نگاه داشت. سپس يك پرتوي ليزر به سمت يون‌ها شليك شد و با تنظيم دقيق اشعه ليزر و خارج كردن انرژي از اين كلوچه اتمي، دماي اين مجموعه به تنها نيم ميلي‌كلوين (پنج ده‌هزارم) رسانده شد.
پس از انجام اين مقدمات، با استفاده از يك ميدان الكتريكي كوچك، به اين كلوچه اتمي ضربه زده شد. اين ضربه يون‌ها را به لرزش درآورد و باعث تغيير قابل تشخيصي در نور ليزر منعكس شده گرديد. بر اساس ميزان تغيير نور، گروه تخمين زد كه نيروي به كوچكي 174 يوكتو نيوتن را اندازه گرفته است. چنين نيرويي حدود هزار بار كوچك‌تر از اندازه‌گيري‌هاي قبلي است.
جرم كم، نيروي اندك
كريس مونرو، فيزيك‌دان دانشگاه مريلند كه در تحقيقات شركت نداشته، مي‌گويد: «آنچه باعث مي‌شود اين سيستم كار كند، وزن فوق‌العاده سبك آن است.»
طبق قانون دوم نيوتن، نيرو برابر حاصل‌ضرب جرم در شتاب است؛ بنابراين يك جرم كم به يك نيروي اندك حساس است. با وزني در حدود 0.1 يوكتو كيلوگرم، اين مجموعه 60 تايي از يون‌هاي بريليوم-9، يكي از سبك‌ترين وسايل ممكن براي اندازه‌گيري نيرو را تشكيل مي‌دهد.
مونرو مي‌گويد كه چيز جديد و خاصي درباره اين تكنيك وجود ندارد. مجموعه اتم‌هاي فوق‌سرد هم‌اكنون نيز موضوع مطالعات بسياري هستند. نوآوري اين گروه، استفاده از يون‌هاي فوق‌سرد به عنوان حسگرهاي فوق حساس نيرو بود. در مقاله‌اي كه گروه منتشر كرده، اشاره شده است كه امكان ساخت ابزارهاي حساس‌تر، با استفاده از تعداد كمتري از اتم‌ها وجود دارد.
اگرچه مونرو اصول كار انجام شده را تاييد مي‌كند، اما اشاره مي‌كند كه تعداد اتم‌ها باعث مي‌شود اشعه ليزر نقش تعيين كننده‌اي در اندازه‌گيري داشته باشد.
گروه تحقيقاتي اميدوار است كه نهايتا از يون‌هاي بريليوم در تمام زمينه‌ها، به عنوان يك آشكارساز نيروهاي بسيار كوچك استفاده شود. كنراد لنرت كه ركورد قبلي اندازه‌گيري نيرو را با استفاده از يك سيم لرزان در اختيار داشت، مي‌گويد: «شما مي‌توانيد از اين ابزار براي اندازه‌گيري‌هاي نيروهاي بنيادي استفاده كنيد. به طور خاص، ممكن است بررسي گرانش و تاثيرات كوانتومي در مقياس‌هاي فوق كوتاه با اين سيستم امكان‌پذير باشد.»
با اين حال، مونرو نسبت به استفاده از اين تكنيك هشدار مي‌دهد. به گفته وي براي استفاده از اين سيستم، بايد يون‌ها را در يك محفظه خلاء به صورت مجزا نگهداري كرد كه استفاده‌هاي عملي از اين تكنيك را دشوار مي‌سازد. البته وي اضافه مي‌كند كه توسعه اين تكنيك، با جايگزين كردن كلوچه‌هاي اتمي با يك وسيله كاربردي‌تر امكان‌پذير است.
گروهي از محققان با هل دادن تنها 60 يون توسط يك ميدان الكتريكي بسيار كوچك، موفق شدند تا كوچك ترين نيروي جهان را اندازه بگيرند. نتيجه كار، اندازه‌گيري نيرويي معادل چند يوكتو نيوتن (هر يوكتو معادل 10 به توان منفي 24 يا يك ميليون‌ميلياردميليارديم است) است، و توانسته ركورد قبلي را با اختلاف بسيار زيادي شكست دهد. گروه انجام دهنده اين كار در انستيتو ملي استاندارد و فناوري بولدر كلرادو، اميدوارند كه استفاده از اين تكنيك نهايتا بتواند منجر به ساخت ابزارهايي جديد، براي اندازه‌گيري خصوصيات بسيار كوچك سطح مواد شود.
به گزارش نيچر، اندازه‌گيري نيروهاي بسيار كوچك براي تصويربرداري سطوح اتمي و تشخيص اسپين هسته‌اي حياتي است، اما انجام چنين كاري به دليل ابعاد فوق العاده كوچكي كه با آنها سر و كار داريم بسيار دشوار است.
پيش از اين محققان توانسته بودند نيروهايي از مرتبه آتو نيوتن (هر آتو معادل 10 به توان منفي 18 است) را، با اعمال فشارهاي كم به سيم‌ها يا پاروهاي ميكروسكوپي، و مشاهده ارتعاش آنها اندازه‌گيري كنند. چنين سيستمي اگرچه به خوبي كار مي‌كند، اما استفاده از آن به دلايلي از جمله اندازه نسبتا بزرگ سيستم، با محدوديت مواجه است.
تكنيك جديد به جاي استفاده از سيستم‌هاي پارويي شكل، تنها از 60 يون بريليوم-9 استفاده مي‌كند. گروه تحقيقاتي يون‌ها را در يك چيدمان كلوچه‌شكل پهن كرد و اين مجموعه را با استفاده از ميدان‌هاي مغناطيسي در هوا معلق نگاه داشت. سپس يك پرتوي ليزر به سمت يون‌ها شليك شد و با تنظيم دقيق اشعه ليزر و خارج كردن انرژي از اين كلوچه اتمي، دماي اين مجموعه به تنها نيم ميلي‌كلوين (پنج ده‌هزارم) رسانده شد.
پس از انجام اين مقدمات، با استفاده از يك ميدان الكتريكي كوچك، به اين كلوچه اتمي ضربه زده شد. اين ضربه يون‌ها را به لرزش درآورد و باعث تغيير قابل تشخيصي در نور ليزر منعكس شده گرديد. بر اساس ميزان تغيير نور، گروه تخمين زد كه نيروي به كوچكي 174 يوكتو نيوتن را اندازه گرفته است. چنين نيرويي حدود هزار بار كوچك‌تر از اندازه‌گيري‌هاي قبلي است.
جرم كم، نيروي اندك
كريس مونرو، فيزيك‌دان دانشگاه مريلند كه در تحقيقات شركت نداشته، مي‌گويد: «آنچه باعث مي‌شود اين سيستم كار كند، وزن فوق‌العاده سبك آن است.»
طبق قانون دوم نيوتن، نيرو برابر حاصل‌ضرب جرم در شتاب است؛ بنابراين يك جرم كم به يك نيروي اندك حساس است. با وزني در حدود 0.1 يوكتو كيلوگرم، اين مجموعه 60 تايي از يون‌هاي بريليوم-9، يكي از سبك‌ترين وسايل ممكن براي اندازه‌گيري نيرو را تشكيل مي‌دهد.
مونرو مي‌گويد كه چيز جديد و خاصي درباره اين تكنيك وجود ندارد. مجموعه اتم‌هاي فوق‌سرد هم‌اكنون نيز موضوع مطالعات بسياري هستند. نوآوري اين گروه، استفاده از يون‌هاي فوق‌سرد به عنوان حسگرهاي فوق حساس نيرو بود. در مقاله‌اي كه گروه منتشر كرده، اشاره شده است كه امكان ساخت ابزارهاي حساس‌تر، با استفاده از تعداد كمتري از اتم‌ها وجود دارد.
اگرچه مونرو اصول كار انجام شده را تاييد مي‌كند، اما اشاره مي‌كند كه تعداد اتم‌ها باعث مي‌شود اشعه ليزر نقش تعيين كننده‌اي در اندازه‌گيري داشته باشد.
گروه تحقيقاتي اميدوار است كه نهايتا از يون‌هاي بريليوم در تمام زمينه‌ها، به عنوان يك آشكارساز نيروهاي بسيار كوچك استفاده شود. كنراد لنرت كه ركورد قبلي اندازه‌گيري نيرو را با استفاده از يك سيم لرزان در اختيار داشت، مي‌گويد: «شما مي‌توانيد از اين ابزار براي اندازه‌گيري‌هاي نيروهاي بنيادي استفاده كنيد. به طور خاص، ممكن است بررسي گرانش و تاثيرات كوانتومي در مقياس‌هاي فوق كوتاه با اين سيستم امكان‌پذير باشد.»
با اين حال، مونرو نسبت به استفاده از اين تكنيك هشدار مي‌دهد. به گفته وي براي استفاده از اين سيستم، بايد يون‌ها را در يك محفظه خلاء به صورت مجزا نگهداري كرد كه استفاده‌هاي عملي از اين تكنيك را دشوار مي‌سازد. البته وي اضافه مي‌كند كه توسعه اين تكنيك، با جايگزين كردن كلوچه‌هاي اتمي با يك وسيله كاربردي‌تر امكان‌پذير است.