Wie stark ist die Schwerkraft, die von zwei Erwachsenen ausgeübt wird, die an entgegengesetzten Enden der Erde stehen? Das Zhijiang-Labor hat festgestellt

Um einen 100 Gramm schweren Gegenstand anzuheben, ist eine Kraft von etwa 1 Newton erforderlich.

Die Gravitationskraft, die von zwei Erwachsenen erzeugt wird, die an den beiden Enden der Erde stehen, beträgt ungefähr 10 hoch -21 Newton.

Dies ist die Kraft, die das Gerät zur Messung extrem schwacher Kräfte im Zhijiang-Labor messen kann.

Nanopartikel

Wie kann ein Gerät mit extrem schwacher Kraft eine so kleine Kraft erkennen?

In einer Vakuumumgebung wird ein Nanopartikelball mit einem Durchmesser von etwa einem Tausendstel Haar mithilfe eines Lasers eingefangen und in der Schwebe gehalten. Aus der Bewegung und Verschiebung des Balls lässt sich die Stärke der Kraft ableiten, der er ausgesetzt ist.

Dies ist das Grundprinzip des Geräts mit extrem schwacher Kraft.

Und Licht ist der Schlüssel zu diesem Prozess.

Wenn Photonen mit Materie interagieren, kommt es zu einem Impulsaustausch, der wiederum eine Änderung des Bewegungszustands der Materie bewirkt. Dieser Vorgang erfüllt den Impulserhaltungssatz. Basierend auf diesem Lichtimpulseffekt haben Wissenschaftler die Technologie der optischen Pinzette erfunden, wodurch Licht zu einem Werkzeug für die Manipulation mikroskopischer Partikel wird.

Laserlichtweg

Gao Xiaowen, stellvertretender Direktor des Quantum Sensing Research Center des Zhijiang Laboratory, erklärte: „Das Gerät für ultraschwache Kräfte nutzt optische Pinzettentechnologie, um Nanopartikel in der Schwebe zu halten und ihnen die Bildung intrinsischer Schwingungen im Lichtfeld zu ermöglichen. Wenn externe Signale Veränderungen in der Bewegung der Partikel verursachen, kann durch Messung dieser Veränderung auf die Stärke der Kraft geschlossen werden.“

In der mikroskopischen Welt der Nanopartikel kann jede noch so kleine Störung eine Änderung ihres Bewegungszustands bewirken.

„Die ungeordneten Kollisionen von Luftmolekülen sind eine sehr große Lärmquelle. Daher ist eine Hochvakuumumgebung der Schlüssel zur Erkennung extrem schwacher Kräfte“, erklärte Gao Xiaowen.

Nach wiederholter Optimierung und Verbesserung hat das Team für Geräte mit extrem schwacher Kraft des Zhijiang-Labors die Vakuumgrenze des Geräts mit extrem schwacher Kraft auf 6 × 10 hoch minus 7 Pa (weniger als ein Milliardstel des atmosphärischen Drucks) reduziert, was einen hervorragenden Umweltschutz für Nanopartikel bieten kann.

Mitglieder des Teams für ultraschwache Kraftgeräte führen ein Experiment durch

Um Nanopartikel stabil zu trennen, einzufangen und zu kontrollieren, hat Li Cuihong, ein Forschungsexperte am Zhijiang-Labor, zwei Jahre lang daran geforscht.

„Unter Hochvakuumbedingungen wird das Rauschen von Luftmolekülkollisionen stark reduziert, aber in dieser Umgebung können Partikel leicht aus der Lichtfalle entkommen, was von uns erfordert, die Partikel im Frühstadium wissenschaftlich zu prüfen, zu verarbeiten und zu optimieren“, erläuterte Li Cuihong.

Derzeit hat das Team für Geräte mit extrem schwacher Kraft des Zhijiang-Labors eine einzigartige Methode zur Partikelidentifizierung und -verarbeitung entwickelt. Die Erfolgsrate der Partikelerfassung liegt bei nahezu 100 % und die Kraftempfindlichkeit des Geräts hat das weltweit führende Niveau erreicht.

Extrem schwaches Kraftgeräteteil

Welche Funktion hat ein Gerät mit extrem schwacher Kraft?

Mithilfe dieses Geräts und der dahinterstehenden Technologie können Menschen hochfrequente Gravitationswellen auf einem „Schreibtisch“ erkennen und viele hochmoderne wissenschaftliche Fragen beantworten, die noch erforscht werden müssen, wie etwa „nicht-Newtonsche Gravitation“ und „makroskopische Quantenzustände“.

Die Lösung unbekannter Probleme und die Befriedigung der Neugier sind oft die ursprünglichen Triebkräfte des wissenschaftlichen Fortschritts. Ob es darum geht, das riesige Universum zu verstehen oder mikroskopische physikalische Phänomene zu erklären, das Gerät mit extrem schwacher Kraft ist ein hervorragendes Werkzeug.

Vom Meißeln des Bodens über die Renovierung der Infrastruktur, den Kauf von Geräten bis hin zum Einrichten der Plattform hat das Team für Geräte gegen extrem schwache Kräfte des Zhijiang-Labors Schritt für Schritt einen Computerraum in ein Labor verwandelt und dabei viele Neuerungen erreicht:

Das erste Mal, dass ein Partikel erfasst wurde, das erste Mal, dass der Systemsignalkreis angepasst wurde, und das erste Mal, dass ein Meilensteinknoten zur Abnahme passiert wurde.

Innerhalb von drei Jahren hat sich das Team für Geräte zur Messung extrem schwacher Kräfte des Zhijiang-Labors von einem Nachzügler zu einem Vorreiter dieser Technologie entwickelt.

Korrespondent Xiao Le

Orange Interactive-Reporter Lin Jianan

Bild mit freundlicher Genehmigung von Zhijiang Laboratory