Научная
деятельность
Университет ИТМО

Как поймать частицу: физики нашли способ сделать ионные ловушки эффективнее

Ученые из Университета ИТМО разработали и применили новый метод анализа электромагнитного поля внутри ионных ловушек. Он впервые позволил объяснить отклонения в распределении поля внутри нелинейных радиочастотных ловушек. Предложенная методика анализа позволяет по-новому взглянуть на перспективы применения нелинейных ловушек, в том числе для охлаждения ионов и исследования квантовых явлений. Результаты опубликованы в Journal of Physics B.

Ионная ловушка позволяет локализовать и удерживать в ограниченном пространстве отдельные заряженные частицы, чтобы впоследствии совершать с ними разные манипуляции – например, перемещать или охлаждать их. Охлаждение ионов заключается в снижении кинетической энергии частицы, что заставляет ее практически полностью «замереть». Ученые считают, что это явление в будущем позволит наблюдать квантовые явления невооруженным глазом.

Разные типы ловушек отличаются частотой и конфигурацией поля внутри них. Для охлаждения незаряженных частиц часто применяют более удобные оптические ловушки. Однако радиочастотные ловушки позволяют охлаждать заряженные частицы до более низких температур.

Схема работы оптической ловушки
Схема работы оптической ловушки

Физики из Университета ИТМО активно изучают радиочастотные ловушки и ищут способы сделать их эффективнее. В новой работе они предложили метод исследования электромагнитного поля, который позволяет лучше описывать нелинейные радиочастотные ловушки. В отличие от более простых линейных ловушек, где заряженная частица удерживается в одной точке пространства, в нелинейных ловушках частицы могут быть «пойманы» в нескольких точках. Ранее созданные модели подходили только для простых ловушек, так как не могли объяснить нарушение симметрии поля, возникающее в нелинейной ловушке. Новая модель более универсальна: она объясняет нарушение симметрии и подходит для описания как простых, так и сложных ловушек.

«Наше исследование, которое вылилось в новую методику, началось с кофе. Я его очень люблю и часто пользуюсь кофемашиной на работе. Но моя кружка при этом все время съезжала с поддона, причем каждый раз в разные стороны. Я сделал вывод, что это происходит не из-за общего наклона машины, изучил литературу по вибромеханике и пришел к выводу, что виной всему так называемое нелинейное трение. Затем я понял, что данное явление можно найти в радиочастотных ловушках, которые мы исследуем. Мы применили методику полного разделения движения из вибромеханики и внезапно обнаружили, что она позволяет анализировать ранее необъясненное нарушение симметрии в ловушках!» – рассказывает Семён Рудый, сотрудник лаборатории «Нелинейная оптика конденсированных сред» Университета ИТМО.

Семён Рудый
Семён Рудый

Эффективность метода ученые проверили на экспериментальных данных, полученных в других исследованиях. Странные отклонения, не находящие объяснения в рамках старых моделей и ограничивающие перспективы применения нелинейных ловушек, были полностью оправданы в рамках предложенной модели. Новый подход позволяет прогнозировать и контролировать локализацию заряженных частиц при разных положениях электродов и величинах напряжения, поданных на них. Это необходимо для создания более эффективных ловушек для различных применений.

«Эта работа теоретическая, но она тесно связана с практикой. Наша лаборатория занимается проектированием и созданием радиочастотных ловушек. В дальнейшем мы используем их в экспериментах по локализации различных микрочастиц. Также мы теоретически исследуем сильно охлажденные в ловушках нанокристаллы, которые могут служить моделью квантовых частиц. Эти исследования часто приносят неожиданные интересные результаты и помогают приблизить нас к взаимодействию с квантовыми явлениями», – отмечает Татьяна Вовк, сотрудница лаборатории «Моделирование и дизайн наноструктур» Университета ИТМО.

Татьяна Вовк
Татьяна Вовк

Статья: Features of the effective potential formed by multipole ion trap. Semyon Rudyi, Tatiana Vovk and Yuriy Rozhdestvensky. Journal of Physics B. 16 April 2019.