Иллюстрация: Nadav Priel et al. / Science Advances, 2022. 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.

Схема эксперимента. Слева и справа изображены проекции установки в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Nadav Priel et al. / Science Advances, 2022