Оптомеханическое векторное обнаружение новых сил на расстоянии 6 микрометров

Почему важны крошечные зазоры в гравитации

Гравитация — сила, которая удерживает планеты на орбитах и держит нас на поверхности Земли, однако мы никогда не измеряли напрямую, как она ведёт себя на расстояниях всего в несколько микрометров. Многие идеи современной физики предсказывают, что на таких коротких длинах гравитация может быть чуть сильнее или слабее, чем ожидается, а также может ощущать влияние скрытых измерений. В этой статье описан новый эксперимент, в котором крошечный стеклянный шарик, удерживаемый лазерным светом, используется для поиска ранее не обнаруженных сил, похожих на гравитацию, через зазор всего около шести микрометров — примерно одна десятая толщины человеческого волоса.

Удерживание зернышка стекла светом

В основе эксперимента лежит крошечная стеклянная сфера из кремнезёма диаметром примерно 8–10 микрометров, захваченная в воздухе сфокусированным инфракрасным лазерным пучком. Лазер действует как «оптические пинцеты», ограничивая движение шарика в трёх измерениях внутри ультра-высокого вакуумного контейнера, чтобы минимизировать потоки воздуха и другие помехи. По мере того как шарик рассеивает свет удерживающего лазера, чувствительные фотоприёмники отслеживают его движение по трём взаимно перпендикулярным направлениям, позволяя исследователям восстановить полную силу, действующую на шарик, как функцию времени. Система калибруется путём придания шарикy известного электрического заряда и приложения управляемых электрических полей, что превращает шарик в высокоточный сенсор силы, способный обнаруживать толчки размером примерно 10⁻¹⁷ ньютон.

Двигающаяся масса для теста новых тяг

Чтобы искать новые силы, которые связаны с массой, команда помещает специально паттернированный «аттрактор» близко к удерживаемому шарика. Этот чип попеременно содержит полосы золота и кремния, создавая повторяющийся узор областей с большей и меньшей плотностью. Когда аттрактор приводят в колебательное движение с частотой в несколько циклов в секунду, любое дополнительное взаимодействие, похожее на гравитацию, помимо обычной ньютоновской, будет тянуть шарик с характерной временной и направленной зависимостью. Важно, что эта установка регистрирует не только одну компоненту силы: она измеряет все три пространственные компоненты и множество гармоник частоты привода. Такое более богатое, векторное «отпечаток» значительно облегчает различение подлинного нового взаимодействия от обычного механического или электрического шума.

Подавление вибраций, зарядов и рассеянного света

Измерение таких крошечных сил требует подавления или учёта множества фонов. Вибрации от движущейся платформы с аттрактором могут встряхивать оптику и имитировать силу, поэтому авторы измеряют спектры при удалённом аттракторе и затем исключают основной тон вибрации из анализа. Электрические эффекты — ещё одна проблема, потому что шарик может нести небольшой электрический диполь, который реагирует на меняющиеся электрические поля. Чтобы уменьшить это влияние, между шариком и аттрактором помещают тонкую золотопокрытую кремниевую «экранирующую» стенку, а для удержания диполя в плоскости, минимизирующей нежелательное движение, используют быстро вращающееся электрическое поле. Доминирующий оставшийся фон возникает от рассеянного лазерного света, отражающегося от движущегося аттрактoра и попадающего в детекторы положения. Группа борется с этим, покрывая аттрактор экстремально тёмным слоем «платинового чёрного» и добавляя малое, точно расположенное отверстие для фильтрации полезного светового режима. Они также формируют специальные «нулевые» сигналы из сегментов детектора, не чувствительные к истинному движению шарика, но очень чувствительные к рассеянному свету, что позволяет контролировать и уменьшать этот фон по сравнению с ранними версиями эксперимента.

Как интерпретировать отсутствие обнаружения

После сбора данных с тремя разными микросферами исследователи сравнивают измеренные сигналы силы с детальными шаблонами того, как выглядела бы новая краткодействующая сила. Эти шаблоны генерируются с помощью численных моделей, учитывающих точные формы и материалы шарика и аттрактoра, а также зарегистрированное движение аттрактoра в каждом прогоне. Они тестируют как притягательные, так и отталкивающие варианты и сканируют диапазон длин от примерно 1 до 100 микрометров. Хотя некоторый избыток мощности наблюдается на отдельных гармониках частоты привода, его пространственно-фазовый рисунок не соответствует предсказаниям для новой силы типа Юкавы. Авторы поэтому интерпретируют свои результаты как верхние пределы того, насколько сильным могло бы быть такое скрытое взаимодействие по сравнению с обычной гравитацией на каждой длине.

Что это значит для гравитации и не только

Эксперимент не обнаружил признаков новой силы, но значительно ужалил допустимый диапазон. Для взаимодействий с радиусом действия около 5 микрометров сила любого дополнительного гравитационного притяжения или отталкивания должна быть менее примерно десяти миллионов раз по сравнению с ньютоновской гравитацией между теми же массами, с аналогично жёсткими ограничениями выше примерно 10 микрометров. Эти ограничения превосходят предыдущие измерения с левитированными шариками до двух порядков величины и являются первыми, кто использовал полную трёхмерную, зависящую от времени векторную информацию о силе. Помимо сокращения пространства допустимых теорий с дополнительными измерениями или новыми лёгкими частицами, работа демонстрирует мощный инструмент: микроскопические объекты, стабильно левитированные вблизи твёрдых структур при сохранении возможностей точной метрологии. Эта платформа не только уточняет наше представление о гравитации на крошечных масштабах, но и прокладывает путь для будущих тестов тёмной материи, экзотических частиц и, в конечном счёте, квантовой природы самой гравитации.

Цитирование: Venugopalan, G., Hardy, C.A., Kohn, K. et al. Optomechanical vector sensing of new forces at 6 micron separation. Sci Rep 16, 5180 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35656-6

Ключевые слова: кратковременная гравитация, оптическая левитация, сферический микросенсор силы, взаимодействие Юкавы, поиск новой физики