在6微米间隙下利用光机械矢量传感探测新力

为什么微小间隙的引力很重要

引力是使行星保持轨道并让我们脚踏实地的力，但我们从未直接测量过它在仅几微米这样极短距离上的行为。现代物理中的许多设想都预测，在这类短尺度上，引力可能比预期稍强或稍弱，甚至可能感应到隐藏维度的影响。本文介绍了一项新实验，利用被激光束固定的微小玻璃微球，在只有大约六微米的间隙上探测先前未见的类引力作用——这大约是人类头发厚度的十分之一。

用光悬住一粒玻璃

实验的核心是一个直径约8–10微米的微小二氧化硅球，它被一束聚焦的红外激光束困在空中。该激光相当于一个“光镊”，在超高真空腔内将微球三维拘束，从而将气流和其它干扰降到最低。随着微球散射捕获激光，灵敏的光电探测器沿三个互相垂直的方向追踪其运动，使研究者能够重建作用在其上的全矢量力随时间的变化。系统通过赋予微球已知电荷并施加可控电场进行校准，从而将微球变成一个高精度力传感器，能够探测到约10^-17牛顿量级的微小推力。

移动的质量用于测试新拉力

为了寻找与质量耦合的新力，团队将一个特殊图案化的“引力致动器”芯片放置在被困微球附近。该芯片交替排列黄金和硅的条纹，形成高密度与低密度的重复结构。当致动器以几次每秒的频率来回驱动时，任何超出牛顿引力的额外类引力相互作用都会以依赖方向和时间的特征模式拉拽微球。重要的是，该装置不只是检测力的单一分量；相反，它记录全部三个空间分量以及驱动频率的多个谐波。更丰富的、矢量化的指纹使得将真正的新相互作用与普通机械或电学噪声区分开来变得容易得多。

驯服振动、电荷和杂散光

测量如此微小的力需要抑制或校正大量背景。携带致动器的移动台产生的振动会摇动光学装置并模拟出力，因此作者通过将致动器移远测量谱并在分析中排除主要振动音来处理这一问题。电学效应是另一类关注点，因为微球可能带有小的电偶极子，会响应变化的电场。为减少这种影响，他们在微球与致动器之间放置了一面薄的、镀金的硅“屏蔽”墙，并使用快速旋转的电场使微球的偶极子限制在一个平面内，从而最小化不希望的运动。占主导地位的剩余背景来自于致动器移动时将杂散激光散射到位置探测器上的光。研究组通过在致动器上涂覆极暗的“铂黑”层并增加一个小而精确放置的光阑来滤除有用的光模式以应对这一点。他们还从探测器分段构造特殊的“零”信号，这些信号对真实的微球运动不敏感但对散射光高度敏感，从而能够监测并比早期实验明显减少该背景。

如何解读未检测到的结果

在用三只不同的微球收集数据后，研究者将测得的力信号与新型短程力的详细模板进行比较。这些模板由数值模型生成，考虑了微球和致动器的精确形状与材料，以及每次运行中记录的致动器运动。他们同时测试吸引和排斥的可能性，并扫描从约1到100微米的尺度范围。尽管在驱动频率的某些谐波上出现了额外的功率，但其在方向和相位上的模式与约卡瓦型新力的预测不符。因此作者将结果解释为在各长度尺度上任何此类隐藏相互作用相对于普通引力的上限约束。

这对引力及其他领域意味着什么

实验未发现新力的迹象，但显著收紧了限制。对于作用范围约5微米的相互作用，任何额外类引力的强度必须小于相同质量之间牛顿引力的大约一千万倍，且在约10微米以上也有同样强的约束。这些限制比先前使用悬浮微球的测量提高了多达两个数量级，并且是首个利用完整三维、时变力矢量的研究。除了封堵涉及额外维度或新轻子粒子的理论空间以外，该工作还展示了一个强有力的平台：微观物体能在靠近固体结构的同时稳定悬浮并允许精密计量。该平台不仅在微小尺度上使我们对引力的图景更加清晰，也为将来测试暗物质、奇异粒子以及最终探究引力的量子本质奠定了基础。

引用: 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

关键词: 短程引力, 光学悬浮, 微球力传感器, 约卡瓦相互作用, 新物理搜索