با وجود لرزش مداوم مولکول‌های آب، روش جدیدی برای آشکارسازی نیروهای فمتونیوتونی آن، برمبنای روش‌های پیشین ابداع شده است.

نیروهای میان مولکول‌های زیستی یا ذرات کلوئیدی می‌توانند از مرتبه فمتو نیوتون باشند (fN در حدود وزن کوچک‌ترین باکتری است). به دلایل زیادی از جمله وجود لرزش‌های تصادفی در مولکول‌های آب، اندازه‌گیری این نیروها دشوار است، اما گروهی از پژوهش‌گران روشی استاندارد برای اندازه‌گیری این نیرو ابداع کرده‌اند که نشان می‌دهد در کجا می‌توان به چنین حساسیتی دست یافت. این روش از اصلی که lock-in نام دارد، استفاده می‌کند، که در آن سیگنالی را از منبع نوفه زمینه‌ای خارج کرده و با فرکانس دقیقی آن را تغییر می‌دهند. در این حالت، نیروی اعمال‌شده بر یک دانه پلاستیکی میکروسکوپی نوسان می‌کند. پژوهش‌گران امیدوارند بتوانند از این روش برای اندازه‌گیری برخی از نیروهای ضعیف نامتعارف دیگر بهره گیرند که پیش‌بینی می‌شود در ذراتی که با نور برهم‌کنش دارند، وجود داشته باشد.

دانه رقصان به عنوان آشکارساز نیرو. این عکس شماتیک حاصل چندین تصویر لحظه‌ای است که در آن دانه از چپ به راست حرکت می‌کند. مکان ریزدانه مقیاسی از نیروی روبه‌پایینی است که آن‌را از کانون باریکه به دام افتاده (قرمز) می‌کشد. این نیرو از سوی میدان ناپایدار (صورتی) می‌آید که توسط باریکه لیزر دیگری (بنفش) به وجود آمده است، که از سطح زیرلایه شیشه‌ای (خاکستری) به داخل بازتاب می‌کند. برای بهبود حساسیت باریکه بنفش با فرکانس معینی روشن و خاموش می‌شود و موجب می‌شود دانه به سمت بالا و پایین نوسان کند.

در شرایط خلأ بالا نیروهای بسیار کوچک‌تر از فمتو نیوتون نیز قابل آشکارسازی هستند، زیرا در آن‌جا اجسام تحت برخوردهای تصادفی قرار ندارند [1]. در حالت محلول، حساسیت پایین‌تر است، هرچند روش‌هایی برای آشکارسازی نیروهایی از مرتبه 20 فمتونیوتون نیز گزارش شده است [2]. وجود روشی برای آشکارسازی نیروهای کوچک‌تر در آب می‌تواند به پژوهش‌گران، برای مثال در مطالعه مکانیک سلول‌های زنده کمک کند. لولو لیو (Lulu Liu) و هم‌کارانش از دانشگاه هاروارد به حد جدیدی دست یافته‌اند که صدبار کوچک‌تر از رکورد قبلی است و نیروهای کم‌تر از فمتو نیوتون را در دانه پلی‌استایرن میکروسکوپی که در آب، نزدیک به سطح شیشه‌ای لایه‌نشانی‌شده‌ای معلق نگاه داشته شده است، اندازه‌گیری می‌کنند.

آن‌ها از تکنیکی استفاده کردند، که انبر اپتیکی نامیده می‌شود.در این تکنیک جسم کوچک در کانون مرکزی باریکه لیزری قوی به دام می‌افتد. برای اندازه‌گیری میزان جابه‌جایی جسم از آن کانون، به واسطه نیروی خارجی، پژوهش‌گران تغییرات در پراکندگی نور را در یک ثانیه مشاهده کردند، و آن را باریکه «اندازه‌گیری» نامیدند. پس نیرو می‌تواند از روی این تغییر در موقعیت محاسبه شود.

پژوهش‌گران برای اندازه‌گیری نیرو، این تکنیک را روی مجموعه‌ای از کره‌های به دام‌افتاده‌ی پلی‌استایرنی به قطر 0/5 تا 2 میکرومتر پیاده کردند. آن‌ها برای نیرویی کوچک ولی قابل کنترل، از میدان نوری ناپایدار استفاده کردند. این میدان الکترومغناطیسی به دلیل بازتابش نور درون شیشه، درست در خارج سطح شیشه پدیدار می‌شد.

اندازه‌گیری اثر این نیروهای بسیار کوچک روی چنین دانه‌ای دشوار است، زیرا این دانه همواره تحت برخوردهای مولکول‌های آب است. درصورت وجود نوفه ی که 1/f نام دارد، در دستگاه، اندازه‌گیری با خطر روبه‌رو می‌شود. این نوفه در بسیاری از آزمایش‌ها رایج است و به درستی شناخته نشده است. اما به خاطر آن‌که 1/f نوسانات در فرکانس‌های پایین بزرگ‌تر هستند، با تغییر نیرو با فرکانس نسبتاً بالا، تأثیرشان قابل کاهش است. بنابراین، اعضای این گروه شدت باریکه لیزری را که به وجود آورنده میدان ناپایدار بود، با استفاده از قطع‌کننده باریکه تغییر دادند. قطع‌کننده باریکه وسیله‌ای است که به طور تناوبی باریکه را سد می‌کند. این روی‌کرد lock-in در بسیاری حوزه‌های فیزیک آزمایشگاهی، که در آن نیاز به خارج کردن سیگنالی ضعیف از محیط زمینه‌ای دارای نوفه می‌باشد، متداول است.

باقی اختلالات ناشی از نوفه حرارتی را می‌توان با اندازه‌گیری نیرو در طول بازه‌ وسیعی از زمان حذف کرد، به گونه‌ای که مقدار نوفه در حالت میانگین قرار گیرد. هرچه نیروی اندازه‌گیری‌شده کوچک‌تر باشد، زمان مورد نیاز برای اندازه‌گیری طولانی‌تر می‌شود. برای رسیدن به حساسیتی کم‌تر از فمتو نیوتون، اندازه‌گیری باید حدود 100 ثانیه انجام شود. به گفته لیو، این زمان نسبتاً طولانی بهتر از زمان 10-15 دقیقه‌ای است که برای روش‌های پیشین مورد نیاز بود تا نیروهایی از مرتبه چند ده فمتو نیوتون آشکارسازی شود. پژوهش‌گران دریافتند کاهش نیرو، زمانی که فاصله دانه از سطح افزایش می‌باید، کاملاً با نظریه پراکندگی می (Mie Scattering) توافق دارد. این نظریه، پراکندگی فوتون، توسط اجسام ریزی مانند طول موج نور را توضیح می‌دهد.

آندره گراسی (Andrew Geraci) متخصص اندازه‌گیری دقیق نیرو از دانشگاه نوادا در رینو، می‌‌گوید: «حساسیت به دست آمده در این پژوهش، در حقیقت برای آشکارسازی در محیط‌های مایع مفید است». او تأکید کرد که برای این‌که این روش قابل پیاده‌سازی باشد، لازم است بتوان نیروی اعمالی را به شکلی تغییر داد و این تکنیک برای نیروهای ایستا جواب نخواهد داد. اما این تغییر باید برای شیوه‌های مختلف برهم‌کنش‌های بنیادین ذره-نور امکان‌پذیر باشد، مانند برخی موارد زیستی، که در آن از اپتوژنتیک استفاده می‌کنند. در این حالت پروتئین‌های حساس به نور را درون سلول‌هایی قرار می‌دهند تا کارکرد آن‌ها را کنترل کنند.

گراسی می‌گوید: به علاوه، 100 ثانیه ممکن است برای اندازه‌گیری نیروهای بسیار کوچک زیستی بسیار زیاد باشد، مثلاً در مواردی که آن‌ها فقط در مدت زمان بسیار کوتاهی عمل می‌کنند. «برای مطالعاتی که در آن برانگیخته‌سازی نیرو سریع اتفاق می‌افتد، این تکنیک قابل اجرا نیست، زیرا میانگین گرفتن از آن برای چندثانیه ممکن نخواهد بود». لیو تصمیم دارد این روش را بهبود بخشد و می‌گوید در میان اثرات نامتعارف دیگر علاقه‌مند است نیروهای ضعیف خاصی از نور را که به اسپین فوتون وابسته هستند، اندازه‌گیری کند.

این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.

نویسنده: فیلیپ بال علمی‌نویس مستقل در لندن و نویسنده کتاب نامرئی: جذبه خطرناک عالم غیب (انتشارات دانشگاه شیکاگو، 2014)

منبع: Detecting Femtonewton Forces in Water

مراجع:

[1] G. Ranjit, M. Cunningham, K. Casey, and A. A. Geraci, “Zeptonewton Force Sensing with Nanospheres in an Optical Lattice,” Phys. Rev. A 93, 053801 (2016).

[2] L. Helden, R. Eichhorn, and C. Bechinger, “Direct Measurement of Thermophoretic Forces,” Soft Matter 11, 2379 (2015).