【本報訊】美國耶魯大學研究團隊於最新一期《物理評論快報》發表研究，成功量度單個氣體粒子（原子或分子）撞擊懸浮納米小球所產生的極微作用力。這項技術日後可應用於太空等極低氣壓環境的壓力檢測，亦有能力分辨不同氣體種類。
日常所謂氣壓，一般是海量粒子持續碰撞累積而成，單一粒子撞擊力極其微弱，長期以來都難以直接偵測。利用激光懸浮微粒的技術發展已有數十年，屬精密量度領域的重要工具。近年科學家嘗試以懸浮納米小球感知極微弱的力，但要分離並辨識單個氣體粒子的撞擊訊號，對儀器精度仍是極大難關。
為突破瓶頸，研究人員以激光在真空腔內懸浮一顆納米小球。小球直徑僅 100 納米，重量約為千萬億分之一克，質量是單個氣體粒子的一千萬倍，每一次碰撞帶來的擺動都極細微。團隊透過監測球體反射的激光訊號，成功捕捉撞擊造成的微小位移。
（實驗以激光鎖定納米球，圖中亮點即為納米球，可偵測單個氣體粒子撞擊作用力。圖片來源：美國耶魯・賴特實驗室）
實驗期間，研究人員向真空腔注入少量重氣體，包括氪氣、氙氣等原子氣體，以及六氟化硫分子氣體。量度數據顯示，單次碰撞產生的衝量最低可達十億分之一牛頓，作用時間僅十萬億分之一秒。當腔內氣體量增加、氣壓上升，粒子撞擊頻率亦隨之提高，兩者存在清晰的對應關係。
正是這組對應規律，令懸浮納米小球有條件發展成全新壓力感測器，尤其適合太空、真空設備等傳統儀器難以測量的極低氣壓場景。研究同時發現，不同氣體和納米小球的互動模式有別，這套系統因而可識別氣體種類。
參與研究的耶魯大學物理學家表示，此裝置除了幫助解析太空環境的粒子成分，未來甚至可部署到其他行星，探測當地大氣與空間環境。
【總編輯圈點】
我們平時感受到的氣壓，本質上是無數氣體原子、分子撞擊疊加的結果。單一粒子的撞擊效應能否單獨測量？今次科研團隊利用激光，把一顆納米玻璃小球穩定懸浮在真空之中，完成這項過去看似不可能的實驗。這種超靈敏探測手段，可抓取轉瞬即逝的單次碰撞訊號，依據撞擊頻率和氣壓的關聯開發新型感測器，並識別氣體類型。日後放到其他星球，便能分析當地大氣粒子組成，協助人類認識各個天體的空間環境。
【編輯:陸語】
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