Новая технология определения траектории броуновского движения микрочастицы

Ученым из Техасского университета в Остине и Швейцарского политехнического института (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) с использовнаием лазерных технологий впервые удалось получить траекторию броуновского движения микрочастицы с высоким разрешением.

В 60 году до н.э. поэт Лукреций красочно описал движение пыли в воздухе темной комнаты, размышляя о существовании атомов. В 1827 году Роберт Броун описал беспорядочное движение мельчайших частиц цветочной пыльцы в воде, движение, которое впоследствии было названо его именем. Это оставалось неизменным до 1905 года, когда Эйнштейн сделал вывод о том, что Броуновское движение является мгновенной реакцией частиц на случайные столкновения с беспорядочно движущимися молекулами воды.

Согласно Эйнштейну Броуновское движение происходило по всем канонам классической ньютоновой физики. В то время было невозможно определить линейную скорость движения, средства измерения того времени позволяли измерить только среднеквадратичное смещение. Эйнштейн сказал по этому поводу:
«Не представляется возможным с помощью непосредственных наблюдений измерить скорость движения», из-за того, что скорость частиц меняется приблизительно за 100 нс, чрезвычайно быстро для того времени.

Но это все происходило достаточно давно. Сейчас исследователи, вооруженные современными технологиями и измерительными инструментами, могут производить наблюдения с точностью, на порядки превышающей точность тех времен.

Удерживая крошечную сферическую частицу, диаметром около одного микрона, в оптической ловушке, ученые из Техасского университета в Остине и Швейцарского политехнического института (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) измеряли силу отраженного от частицы света лазера. Скоростной оптический датчик положения смог обеспечить частоту измерения положения частицы около 75 миллионов раз в секунду, что обеспечило высокую разрешающую способность определения траектории броуновского движения частицы с точностью 0.2 ангстрема и интервалом 10 наносекунд.

С такими характеристиками проведенных измерений ученым впервые в истории удалось достаточно точно измерить скорость и траекторию двигающихся частиц, участвующих в броуновском движении.

Источник