作者：傑夫·布魯姆菲爾
研究人員透過用微小的電場推動僅由 60 個離子組成的簇，測量了有史以來最小的力。
這一結果測量值僅為攸克牛頓（10^-24 牛頓），比之前的最低記錄低幾個數量級。這項測量的研究小組位於科羅拉多州博爾德市的國家標準與技術研究院，他們希望這項技術最終能帶來測量材料表面微小特徵的新工具。
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微小力的測量對於原子表面成像和檢測核自旋至關重要，但由於涉及的尺寸極小，因此難以進行測量。
迄今為止，研究人員透過對微觀槳或導線施加微小推力，然後觀察它們的振動，成功測量了大約阿託牛頓（10^-18 N）的力。 這些系統執行良好，但受到其相對較大尺寸等因素的限制。
新技術避開了槳式系統，轉而使用僅 60 個鈹-9 離子。 該小組將離子壓平成一個微小的“薄餅”，並使用磁場將其懸浮在空中。 論文的第一作者邁克爾·比爾庫克（Michael Biercuk）現就職於澳大利亞悉尼大學，他在物理學預印本伺服器 arXiv.org 上發表的一篇論文中寫道，然後他們用雷射照射這些離子。
透過仔細調整雷射，他們從原子薄餅中提取能量，直到其溫度達到僅 0.5 毫開爾文。
然後，該團隊用微小的電場輕推他們的薄餅。 這一輕推震動了離子，並導致反射雷射發生可辨別的變化。 根據變化的大小，該團隊估計他們測量的力小至 174 攸克牛頓——比之前的測量值小約一千倍。
微小力推動微小質量
“使其奏效的原因是該系統非常輕巧，”馬里蘭大學帕克分校的物理學家克里斯·門羅（Chris Monroe）說道，他沒有參與這項研究。
牛頓第二運動定律指出，力等於質量和加速度的乘積，因此微小的質量對微小的力很敏感。 60 個鈹-9 離子的重量約為 0.1 攸克千克，是可能實現的最輕的力探針之一。
門羅補充說，這項技術並沒有什麼特別新穎之處。 超冷原子簇本身已經是許多研究的焦點。 該團隊的見解是，超冷離子將成為超靈敏的力探測器。 研究人員在他們的論文中表示，用更少的離子可能會實現更靈敏的探測。
門羅表示，他原則上同意，但指出，隨著離子數量的減少，對於測量至關重要的雷射訊號也會隨之減弱。 該研究背後的團隊表示，單個離子可以探測到更小的力。 門羅說，的確如此，前提是離子本身可以被準確測量。
最終，該團隊希望鈹離子可以用作各種測量中的微小力探測器。 “原則上，你可以嘗試將其用於基本力測量，”博爾德 JILA 的研究員康拉德·萊納特（Konrad Lehnert）說道，他之前在使用振動線的測量工作中保持著測量記錄。 特別是，可能有可能在超短尺度上測試引力和量子效應。
但門羅警告說，不應過度宣傳這項技術。 他指出，離子必須隔離在真空室中才能工作，這使得實際應用變得棘手。
“它不會被用來明天就找到石油或任何東西，”他說。 但他補充說，將原子薄餅開發成更實用的東西很可能是有可能實現的。