Группа ученых из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли произвела измерения силы, равной приблизительно 42 йоктоньютонам (42*10^-24 Ньютона). Используя комбинацию света лазеров и уникальной оптической технологии удержания в ловушке облака охлажденных до сверхнизкой температуры атомов, ученые измерили самую слабую силу из всех сил, измеренных учеными за всю историю науки.

«Используя нашу установку мы приложили крайне малую силу к центру массы облака атомов, охлажденных до сверхнизкой температуры и удерживаемых во впадине оптической ловушки. Приложенная сила вызвала перемещение центра массы облака и это было измерено при помощи оптического метода» — рассказывает Дэн Стэмпер-Керн (Dan Stamper- Kurn), ученый-физик из Калифорнийского университета, — «Когда прикладываемые силы вошли в резонанс с собственной частотой колебаний облака атомов мы достигли чувствительности измерений, который всего в четыре раза больше абсолютного предела, так называемого Стандартного Квантового Предела (Standard Quantum Limit, SQL), определяющего максимальный теоретический предел чувствительности, с которым может быть сделано измерение любого вида».

Следует отметить, что произведенное измерение является частью усилий, направленных на обнаружение гравитационных волн, «ряби» пространственно-временного континуума, описанной в Общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Измерение очень малых сил позволит определить до какой степени закон всемирного тяготения, описанный сэром Исааком Ньютоном, проявляется в микроскопическом масштабе, где все действующие силы и перемещения имеют крайне и крайне маленькие значения. К примеру, установка для обнаружения гравитационных волн Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), позволяет сделать запись перемещений, в тысячи раз меньших диаметра протона.

В основе практически всех сверхчувствительных датчиков сил лежат так называемые механические генераторы, простые или сложные системы, позволяющие преобразовать приложенную силу в механическое движение, поддающееся измерению. Поскольку в малых масштабах прикладываемые силы и перемещения приближаются к пределу квантового порога, определяемого принципом неопределенности Гейзенберга, само измерение будет затрагивать измеряемый объект, что называется эффектом обратного квантового воздействия. За последние года учеными было предложено множество методов по минимизации влияния вышеупомянутого эффекта, благодаря чему порог чувствительности измерений может вплотную приблизиться к Стандартному Квантовому Пределу. Но, к сожалению, самый лучший из предложенных методов обеспечил чувствительность на шесть-восемь порядков превышающую предел SQL.

«Мы измерили самую слабую силу с чувствительностью, которая наиболее приближена к теоретическому пределу SQL» — рассказывает Сидни Шрепплер (Sydney Schreppler), член исследовательской группы, — «И этого нам удалось достичь за счет того, что наш механический генератор состоял всего из 1200 атомов».

В экспериментальной установке главным элементом механического генератора выступил газ из атомов рубидия, охлажденных практически до температуры абсолютного нуля. Оптическая ловушка была сделана при помощи света двух лазеров с длинами волн 860 и 840 нм, а для измерения перемещений центра массы облака атомов использовался лазер с длиной волны 780 нм.

«Когда мы приложили силу к нашему механическому генератору он начал колебаться с затухающей амплитудой, подобно маятнику» — рассказывает Сидни Шрепплер, — «А ключевым моментом, благодаря которому нам удалось получить рекордный уровень чувствительности измерений, стала уникальная технология поддержания сверхнизкой температуры атомов и их полной изоляции от окружающей среды, позволившие избавиться от сторонних шумов и помех».

В будущем ученые планируют подобраться к порогу SQL еще ближе, а повысить чувствительность еще больше им позволит охлаждение атомов до еще более низкой температуры и совершенствование оптического метода измерений перемещения центра массы облака атомов. Кроме этого, для снижения влияния эффекта обратного квантового воздействия ученые будут использовать все известные на сегодняшний день методы. И только после этого ученые могут получить в свое распоряжение новый измерительный инструмент, при помощи которого можно будет заниматься поиском проявлений гравитационных волн на квантовом уровне и производить другие сверхвысокоточные измерения.