دانشمندان با ساخت سریع‌ترین شی ساخته شده تابه‌‌حال، توانسته‌اند که یک قدم بزرگ را در رابطه با اندازه‌گیری نیروهای کوانتومی اسرارآمیز که بر نیستی (عدم) تأثیرمی‌گذارند، بردارند. این شی رکوردشکن یک قطعه کوچک سیلیکا است. این شی که در هر ثانیه میلیاردها بار می‌چرخد، حساسیت لازم را به دست آورده و تیم سازنده آن قادر خواهند بود تا این محصول را جهت تشخیص مقدارهای ضعیف و غیرقابل‌فهم کشش که به دلیل اصطکاک‌های درون خلا ایجاد می‌شوند، مورداستفاده قرار دهند.
همچنان که ما سعی می‌کنیم تا بفهمیم که جهان در ابتدایی‌ترین روزهای خود چگونه فعالیت می‌کرده، علم نیستی نیز در حال تبدیل شدن به یکی از موضوعات مهم فیزیک است.
محققان اکنون این حقیقت را به‌راحتی پذیرفته‌اند که فضای خالی در واقع خالی نیست. این فضا در حقیقت پر از نوسانات کوانتومی است که ما اکنون مشغول یادگیری روش‌های تشخیص آن هستیم. اما ما همچنان مشغول تلاش جهت پیدا کردن ابزارهایی هستیم که از حساسیت لازم برخوردار بوده و به‌وسیله آن‌ها بتوان فعالیت این نیروهای کوچک را شناسایی کرد.
چند سال پیش، پژوهشگران دانشگاه پردو آمریکا، با توسعه روشی که گشتاور و یا نیروی پیچش یک قطعه از الماس را اندازه می‌گرفت، توانستند که یک قدم به جلو بردارند. فیزیکدانان با استفاده از لیزر، این ماده را در فضای خلا معلق کردند. دانشمندان از این طریق توانستند که یک دستگاه بسیار مناسب را جهت فهم تلنگرهای محیط اطراف، فراهم آورند.
فیزیکدان تانگ‌کنگ لی (Tongcang Li) در سال 2016 توضیح داد: “تغییر جهت این نانوالماس باعث می‌شد تا فیلتر ضدتشعشع لیزر بر چرخش‌ها پرتو بیفکند. تعادل پیچ‌خوردگی نقشی تاریخی را در توسعه فیزیک مدرن ایفا کرده است. حال یک نانو الماس بیضی‌شکل معلق در خلا، یک تعادل پیچشی در مقیاس نانو را فراهم آورده که چندین برابر نمونه‌های پیشین حساس‌تر است.”
سه سال بعد، لی و اعضای تیم وی الماس را با توپ‌هایی از جنس سیلیکا به قطر 150 نانومتر جایگزین کردند. این قطعه جدید در داخل یک محفظه خلاء معلق شده و یک لیزر 500 میلی واتی نیز در کنار آن قرار داده شده بود. با استفاده از پالس‌های قطبی از جانب لیزر دومی، می‌توان چرخش توپ‌های سیلیکایی را تنظیم کرد.
چرخش این توپ‌ها با ذرات دمبلی‌شکل به عدد عجیب 300 میلیارد دور در دقیقه می‌رسد. این میزان توانسته که رکورد آزمایش‌های پیشین را که به‌سختی می‌توانستند یک‌پنجم این سرعت را کنترل کنند، بشکند. نوآوری مربوط به حساسیت نیروهای چرخش است که محققان قصد داشتند آن‌ها را ارتقاء دهند.
درحالی‌که این آزمایش بر فناوری‌های مدرن تکیه داشته، اما ریشه در پژوهش‌هایی دارد که مربوط به قرن‌ها پیش هستند. در اواخر قرن هجدهم میلادی، دانشمند بریتانیایی یعنی هنری کاوندیش (Henry Cavendish) تصمیم گرفت تا ارزشمندی قوانین نیوتن در زمینه گرانش را نشان دهد. این دانشمند سعی داشت این کار را با تلاش جهت اندازه‌گیری این نیرو با استفاده از دو وزنه سربی انجام دهد.
دو گوی سربی نسبتا سبک در دو طرف یک پرتو نوری با گستردگی 1.8 متری معلق شده بودند. این پرتو از یک سیم نزدیک به یک جفت توده سنگین ثابت‌شده در فضا، آویزان شده بود. مقدار پیچش موجود در آن سیم، اولین اندازه‌گیری واقعی یک مقدار ثابت گرانشی را فراهم کرد.
نسخه نانوی آزمایش کاوندیش می‌تواند بسیار حساس باشد. این ابزار از لحاظ تئوری می‌تواند جهت اندازه‌گیری ضربات ضعیف میدان‌های الکترومغناطیسی که نوعی از اصطکاک را در فضای خالی ایجاد می‌کنند، مورداستفاده واقع شود. این رویدادها به دلیل عدم قطعیت فیزیک ذرات شکل داده می‌شوند.
این دانشمندان طی گزارشی نوشتند: “یک ذره خنثی که سریع می‌چرخد، می‌تواند خلاء کوانتومی و حرارتی را به انعکاس‌های تابشی تبدیل کند. به این دلیل، خلاء‌های الکترومغناطیسی همانند یک مایع پیچیده رفتار کرده و یک گشتاور اصطکاکی را بر روی نانوروتورها (nanorotor) اعمال می‌کنند.”
نیروی چرخش پیچ‌خوردگی‌ها در واحدهایی به نام نیوتن متر اندازه‌گیری می‌شود. یک نیوتن متر در واقع یک نیوتن نیرو است که از یک متر دورتر به یک نقطه از اهرم وارد می‌شود.
آزمایشی در سال 2016 روشی را توسعه داد که می‌تواند گشتاور را با حساسیتی در حدود 3*10 به‌توان منفی 24 متر نیوتن، اندازه‌گیری کند. دمایی کمتر از یک درجه بالای صفر مطلق، جهت انجام این فرآیند لازم بود.
مقیاس‌های گشتاوری 1.2*10 به‌توان منفی 27 نیوتن متری چرخش توپ‌های سیلیکایی در میان چرخه‌های لیزری، باعث می‌شود تا لی و تیمش رکود پیشین را نیز بشکنند. آن‌ها این کار را در دمای اتاق انجام داده‌اند، نه در دمایی کمتر.
در آینده، آزمایش‌ها نوع مواد چرخنده را تغییر می‌دهند، همان‌طور که عوامل محیطی مانند دما و اشیای مجاور را نیز تغییر خواهند داد. این تغییرات را می‌توان جهت فهمیدن اینکه چگونه میدان‌های دست‌نخورده کوانتومی در کمترین سطح انرژی وجود دارند، به‌کار گرفت.
این پژوهش در نشریه Nature Nanotechnology منتشر شده است.
