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Nanopartikel enthüllt den winzigen Stoß eines einzelnen Gasatoms
Winzige Anstöße statt gleichmäßiger Druckkraft: Eine im Laserlicht schwebende Glaskugel hat die Einschläge einzelner Gasatome und -moleküle messbar gemacht. Aus der Häufigkeit und Stärke der Kollisionen konnten Physiker den Druck extrem verdünnter Gase bestimmen. Die Methode könnte künftig empfindliche Vakuummessungen und die Suche nach unbekannten Teilchen unterstützen.
New Haven (U.S.A.). Gase üben Druck aus, weil ihre Atome und Moleküle unablässig gegen Oberflächen stoßen und dabei Bewegungsimpulse übertragen. Im Alltag treffen so viele Teilchen aufeinander, dass Messgeräte nur ihre gemeinsame Wirkung erfassen. Der Beitrag einer einzelnen Kollision geht in diesem ständigen Bombardement unter.
In einer nahezu luftleeren Vakuumkammer sieht das anders aus: Die Zusammenstöße sind seltener, ihre winzigen Auswirkungen aber noch immer schwer nachzuweisen. Besonders schwierig wird es, wenn ein einzelnes Gasatom auf einen Messkörper trifft, der millionenfach schwerer ist als es selbst. Lässt sich ein solcher Stoß trotzdem getrennt nachweisen?
Forscher der Yale University um Yu-Han Tseng haben dafür nun eine Glaskugel mit nur 100 Nanometern Durchmesser als hochempfindlichen Bewegungssensor eingesetzt. Ihre Masse beträgt rund ein Femtogramm, also ein Billiardstel Gramm. Die Kugel schwebte berührungslos im Fokus eines Laserstrahls, sodass keine feste Halterung ihre Bewegung störte.
Um die winzigen Stöße sichtbar zu machen, haben die Wissenschaftler die Position der Siliziumdioxid-Kugel über das zurückgestreute Laserlicht fortlaufend überwacht. Zusätzlich kühlten sie ihre Schwingungsbewegung durch gezielte Rückkopplung und kalibrierten den Sensor mit bekannten elektrischen Impulsen. So konnten sie plötzliche Ausschläge vom normalen Zittern des Messsystems unterscheiden.
Anschließend leiteten die Forscher nacheinander kleine Mengen Krypton, Xenon und Schwefelhexafluorid in die Vakuumkammer. Krypton und Xenon bestehen aus einzelnen Atomen, Schwefelhexafluorid dagegen aus Molekülen. Obwohl die Gasteilchen etwa zehn Millionen Mal leichter waren als die schwebende Kugel, hinterließen einzelne Zusammenstöße erkennbare Bewegungsimpulse.
Dabei rekonstruierte das Team Stoßimpulse ab rund 200 Kiloelektronenvolt geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit. Das entspricht einer Bewegungsimpulsänderung von ungefähr 10⁻²² Newtonsekunden. Entscheidend war nicht, ein Atom direkt abzubilden, sondern seinen mechanischen Anstoß an der Kugel nachzuweisen.
Je mehr Gas die Forscher in die Kammer einleiteten, desto häufiger registrierten sie passende Stoßereignisse. Ihre Zahl und die Verteilung der Impulsstärken stimmten gut mit den Vorhersagen der kinetischen Gastheorie überein. Daraus ließ sich der jeweilige Partialdruck der drei Gase bestimmen, also ihr Anteil am Gesamtdruck.
Zwischen etwa 10⁻⁸ und 10⁻⁷ Millibar stimmten die so ermittelten Druckwerte innerhalb der Messunsicherheiten mit einem herkömmlichen Vakuummessgerät überein. Aus Hintergrundmessungen leiteten die Autoren zudem eine derzeitige Nachweisgrenze von ungefähr 2 × 10⁻⁹ Millibar ab. Das ist jedoch eine aus den Daten abgeschätzte Grenze und keine bereits über diesen ganzen Bereich experimentell bestätigte Druckmessung.
Noch erfasst das System nicht jeden Zusammenstoß. Schwächere Impulse verschwinden im Rauschen, während sich bei höherem Gasdruck mehrere Stoßsignale zeitlich überlagern können. Deshalb beschränkten die Forscher die quantitative Druckauswertung auf einen entsprechend niedrigen Druckbereich.