自由落体实验是科学界中的传奇。据说伽利略通过从比萨斜塔上丢下炮弹向他的学生证明重力加速与质量无关。牛顿经常回忆起苹果下落的故事,这促使他开始思考长程作用的引力。
如今,Erik Hebestreit和他的导师Lukas Novotny,以及他们在苏黎世联邦理工学院的同事们已经将故事中的“苹果”缩小到了纳米尺度。通过将硅纳米颗粒悬浮在光阱中并短暂释放它们,他们可以测量重力或任何其他恒力对粒子的影响。
这种测量方法对力测量的灵敏度达到了10 aN,相当于尺寸为136nm的纳米微粒重量的一半。尽管精度不那么尽如人意,该方法仍然可用于研究短程、恒定,纳米尺度下力学的大部分未知领域。
受干涉仪启发,纳米粒子不是自由落体中的最小物体。二十年前,Steven Chu及其同事就研究了原子干涉仪中正在下落的原子。通过利用已经获得诺贝尔奖的冷却和诱捕技术,他们测量了重力引起的加速度,精确度达到十亿分之三,足以观察到地球自身因每天的两次潮汐产生的振荡。
然而,苏黎世联邦理工学院的研究人员受到了这一想法的启发。如果他们能够进行纳米粒子自由落体实验,即使没有将粒子冷却到基态,他们也可以清除许多实验障碍,从而实现Geraci和Goldman的想法。这样一来他们就可以创建一个自我校正的纳米尺度传感器。
为了最大限度地减少不确定性的来源,研究人员为确定T的几个值重复了数千次的下落和捕获过程。如果F = 0并且粒子的运动仅由v0表征,则平均E与T2成比例。非零F引入T4项,通过拟合数据,研究人员可以得到F。
研究人员发现没有消除这种杂散场的实用方法。不过他们确实找到了一种释放纳米微粒上电荷的方法——将一堆带电的微粒同时放到交流电场之中进行振荡。当纳米粒子在驱动场下停止振荡时,其电荷为零,并且实验准备好进行。
特别有意思的是范德华力和卡西米尔-波尔德色散力之间的交界处。间距紧密的原子之间会产生范德华力。这是一种因为交换虚光子导致的非相对论量子效应。对于较大的物体和较远的距离,就是相对论效应发挥作用的时候了。
研究人员计划将纳米颗粒从一个非常靠近垂直玻璃板的位置释放,观察其坠落,进而研究它们所受到的色散力。通过分别测量水平和垂直振荡,他们希望确定颗粒是直接下落还是被板吸引或排斥。