In laboratorio, un sensore rileva le singole collisioni con i gas

In una camera a vuoto, una sfera di silice larga non più di qualche centinaio di molecole sospesa in un fascio di luce laser, e ogni molecola di gas che la tocca lascia una traccia. È questa traccia che un team guidato da Yu-Han Tseng ha ora misurato. Il loro studio, pubblicato su Physical Review Letters nel 2026, descrive il trasferimento di quantità di moto delle singole collisioni tra particelle di gas e una nanoparticella levitata dalla luce, una misura che fino ad ora si perdeva nel rumore.

L'idea ha una lunga storia. Nel 1827 Robert Brown osservò al microscopio granelli di polline muoversi a scatti nell'acqua, e Einstein spiegò in seguito che quel moto casuale derivava da innumerevoli urti di molecole veloci nel fluido. Quegli urti sono normalmente troppo piccoli e troppo frequenti per essere distinti. I ricercatori hanno capito più tardi che una particella trattenuta dalla luce laser, senza alcuna superficie di appoggio a toccarla, offriva un modo più pulito per ascoltarli. Il team ha seguito questo approccio, isolando una sfera di silice di circa 100 nanometri di diametro e introducendo un gas pesante alla volta: kripton, xenon ed esafluoruro di zolfo. Hanno seguito il moto della sfera attraverso la luce che essa diffondeva e hanno confrontato il sensore con valori attesi, registrazioni di fondo e previsioni teoriche.

Il risultato è che gli urti degli atomi di kripton, quelli degli atomi di xenon e quelli delle molecole di esafluoruro di zolfo sono stati rilevati, nonostante queste particelle di gas siano circa 10 milioni di volte più leggere della silice. La dispersione misurata dei trasferimenti di quantità di moto concordava bene con la teoria dei gas. Le pressioni stimate a partire dalle collisioni corrispondevano a un manometro a vuoto convenzionale entro le incertezze, il che gli autori presentano come una dimostrazione di principio per la misura della pressione. L'esperimento ha anche suggerito che la superficie della sfera è rimasta vicino alla temperatura ambiente, sebbene i ricercatori abbiano fissato limiti superiori alla temperatura anziché un valore preciso.

I limiti sono reali. Il rumore ha nascosto alcuni degli impatti più piccoli, quindi i gas più leggeri e gli urti più deboli non sono stati risolti e non tutte le collisioni sono state viste. Gli autori sostengono che misure del moto più precise potrebbero rivelarli, insieme a pressioni più basse. Per i laboratori di metrologia, la promessa pratica è uno standard di pressione costruito contando le collisioni anziché a partire da un manometro tarato, per sistemi a vuoto eccezionalmente puliti. Per gli esperimenti quantistici, la stessa sensibilità potrebbe aiutare a filtrare i disturbi ambientali che distruggono gli stati quantistici fragili, e gli autori citano anche la ricerca di materia oscura e di altre particelle come possibili usi. Nessuna di queste applicazioni è stata realizzata e l'articolo non fornisce alcuna scadenza per nessuna di esse. Lo studio è una dimostrazione di laboratorio, e il suo prossimo passo è un sensore più sensibile, in grado di vedere i gas più leggeri che attualmente sfuggono.