Forskare vid Institute of Science and Technology Austria har utvecklat en teknik med korsande laserkäglor för att fånga och ladda enskilda aerosolpartiklar och observera deras elektriska förändringar i realtid. Denna metod, beskriven i Physical Review Letters, efterliknar processer inne i åskmoln och kan avslöja hur blixtar uppstår. De glödande partiklarna visar elektronförlust och plötsliga laddningsutbrott genom en tvåfotonsprocess.
Forskare ledda av doktoranden Andrea Stöllner och biträdande professor Scott Waitukaitis vid ISTA har skapat en optisk pincett-uppställning med två exakt inriktade laserkäglor. Dessa käglor möts för att hålla en enskild transparent kiselfärgad sfär, en modell för molniscrystaller, i en stabil fälla inom en förseglad behållare. Systemet, byggt under nästan fyra år, håller nu partiklar i veckor, en enorm förbättring från initiala tre minuters fångster för två år sedan.
Lasrarna laddar de ursprungligen neutrala partiklarna via en tvåfotonsprocess, där samtidig absorption av två fotoner kastar ut en elektron och ger positiv laddning. Med fortsatt exponering indikerar partikelns glöd progressiv laddning, vilket möjliggör exakt kontroll genom att justera laserstyrkan. Stöllner noterade: 'Vi kan nu exakt observera utvecklingen av en aerosolpartikel när den laddas upp från neutral till högt laddad och justera laserstyrkan för att styra takten.'
Oväntat släpper högt laddade partiklar laddning i plötsliga utbrott, vilket tyder på spontana urladdningar liknande dem i åskmoln. Åskväder kännetecknas av kolliderande iskrystaller som utbyter laddningar, vilket leder till elektrisk obalans och blixtar. Nuvarande teorier debatterar om iskrystaller eller kosmiska strålar ger den initiala gnistan, men molnets elektriska fält verkar otillräckliga ensamma. Stöllner förklarade: 'Vår nya uppställning låter oss utforska iskrystallteorin genom att noga undersöka en partikels laddningsdynamik över tid.'
Även om labbpartiklar är mindre än naturliga iskrystaller hoppas teamet att dessa observationer belyser större atmosfärisk elektrifiering. Stöllner mindes sin första framgång: 'Första gången jag fångade en partikel var jag övermåne.' Den vibrationsdämpande bordet säkerställer precision och skyddar de gröna laserkäglorna från störningar.
Detta arbete, medförfattat av Isaac Lenton och andra, publiceras i Physical Review Letters (2025; 135 (21)). Det främjar förståelsen av molnpartiklars roll i extremt väder.