Фізики з Університету ІТМО розробили теорію, яка коректно описує електромагнітне поле нелінійної іонної пастки - приладу, який зазвичай використовують для охолодження заряджених частинок. У майбутньому ця теорія дозволить «поліпшити» іонну пастку - помістити в неї більше частинок і точно передбачити їх положення в просторі. Цікаво, що ідея нового методу прийшла фізикам в голову випадково, коли вони спостерігали за рухом чашки кави по піддону кавомашини. Стаття опублікована в, коротко про неї розповідає прес-реліз університету.
Як правило, для роботи із зарядженими частинками фізики використовують іонну радіочастотну пастку - конфігурацію змінних електромагнітних полів, що утримують частинку в одній стабільній точці. Зокрема, іонні пастки застосовують для охолодження частинок та вимірювання їх мас-спектрів, вивчення іонного транспорту та будови складних органічних сполук. В принципі, для тих же цілей можна використовувати і оптичну пастку, яка утримує частинки за рахунок розсіювання світла, а не електричного відштовхування. Однак для заряджених частинок іонні пастки дозволяють досягти кращих результатів - наприклад, більш низьких температур і більш високої точності - тому їх використання більш краще.
Найпоширеніша конструкція іонної пастки - це квадрупольна пастка, розроблена німецьким фізиком Вольфгангом Паулем у 1953 році. В основі цієї пастки лежать чотири гіперболічні електроди, які створюють квадрупольне електричне поле, що осцилює c частотою порядку декількох герц (як радіохвилі). Взагалі кажучи, заряджена частинка, поміщена в квадрупольне поле, прагне з нього вискочити (така конфігурація нестабільна через теорему Ірншоу). Однак через змінність потенціалу після усереднення за часом в пастці виникає метастабільна точка, в якій частинка може сидіти наскільки завгодно довго. Якщо частинка залишає становище рівноваги, її тягне назад ефективна сила, прямо пропорційна відхиленню частинки. У цьому полягає головна перевага квадрупольної пастки: через лінійність сили нам неважливо, в яку точки пастки кинути частку, поводитися вона буде однаково. У цьому ж полягає і головний її недолік: у кожній точці простору лінійна сила занадто велика, а тому керувати рухом частинки складно. Тому фізики також розробляють нелінійні пастки, що теоретично дозволяють проводити більш точні вимірювання.
На жаль, передбачити поведінку частинки, що потрапила в нелінійну пастку, набагато складніше, ніж для звичайної квадрупольної пастки. Незважаючи на те, фізики працюють з такими конструкціями вже більше двадцяти років, досі не існує універсальної теоретичної моделі, яка описує динаміку іону в нелінійній пастці. Щоб хоч якось спростити роботу, вчені поділяють рух частинки на макроскопічну (повільну) частину, яка визначається кільцевим статичним псевдопотенціалом, і мікроскопічну (радіочастотну) частину, що описують невеликі відхилення від макроскопічного руху. У лінійній пастці цей підхід працює добре, проте в нелінійних пастках амплітуда мікроскопічного руху може перевищити характерний радіус макроскопічної траєкторії, і такий опис стає марним.
Фізики Семен Рудий, Тетяна Вовк і Юрій Рождественський запропонували новий підхід до опису руху іонів, який однаково добре працює для лінійних і нелінійних оптичних пасток. Для цього вчені застосували метод повного поділу рухів, який широко використовується у вібромеханіці. Для простоти вчені нехтували тертям, через яке частинка поступово сповільнюється. Як і в стандартному підході, дослідники розділили рух на статичну і швидко осцилюючу частину. Однак цього разу псевопотенціал, що визначає статичну частину, залежав не тільки від конфігурації фонових полів, а й від усередненої кінетичної енергії швидко осцилюючих частин. Це дозволило вченим уточнити усереднені рівняння руху іонів, які потрапили в пастку.
Щоб перевірити працездатність запропонованої моделі, вчені порівняли її передбачення з експериментом і наближеними чисельними розрахунками на прикладі 22-польної іонної пастки. Як і очікувалося, розрахований профіль потенціалу практично в точності збігався зі справжнім профілем, але відрізнявся від передбачень стандартного підходу. Наприклад, він коректно описував відхилення кільцевого потенціалу від ідеально симетричної форми, яке спостерігається на практиці. Фізики пов'язують це відхилення зі зростаючою амплітудою мікроскопічного руху, який порушує симетрію системи.
Крім того, за допомогою побудованої моделі дослідники виявили загальну закономірність нелінійних іонних пасток. А саме, з розрахунків вчених випливає. Що в 2-польній пастці (при > 2) існує метастабільних точок, в які можна помістити частинки, і ще одна нестабільна точка. У квадрупольній пастці (= 2) обидві точки збігаються. Автори сподіваються, що цей результат можна буде використовувати при розробці більш ефективних іонних пасток.
Цікаво, що ідея повного поділу руху іонів у мультипольній оптичній пастці виникла у фізиків випадково. Семен Рудий, співробітник лабораторії «Нелінійна оптика конденсованих середовищ» Університету ІТМО, розповідає: "Наше дослідження, яке вилилося в нову методику, почалося з кави. Я його дуже люблю і часто користуюся кавомашиною на роботі. Але моя кухоль при цьому весь час з'їжджала з піддону, причому кожен раз в різні боки. Я зробив висновок, що це відбувається не через загальний нахилу машини, вивчив літературу з вібромеханіки і прийшов до висновку, що виною всьому так зване нелінійне тертя. Потім я зрозумів, що це явище можна знайти в радіочастотних пастках, які ми досліджуємо. Ми застосували методику повного поділу руху з вібромеханіки і раптово виявили, що вона дозволяє аналізувати раніше нез'ясоване порушення симетрії в пастках! "
Фізики часто використовують іонні пастки для роботи із зарядженими частинками. Наприклад, у жовтні 2017 року американські дослідники виміряли дипольний момент електрону, захопивши молекулярний іон HfF + в іонну пастку і вимірявши різницю між його магнітними рівнями за допомогою електронного спинового резонансу. В результаті вчені встановили, що дипольний момент частинки не перевищує 10 − 29 елементарних зарядів на сантиметр, тобто з високою точністю підтвердили «круглість» електрону. У квітні 2018 група хіміків зі Швейцарії, Німеччини та США використовували іонну пастку, щоб визначити хімічну структуру октамера серіна - одного з надзвичайно стійких кластерів, що складається з восьми амінокислот однакової хіральності. Крім того, минулого року британський фізик Девід Надлінгер (David Nadlinger) зловив іон стронцію в квадрупольну іонну пастку і сфотографував його випромінювання на звичайну дзеркальну камеру, тим самим вигравши конкурс наукової фотографії британської Ради з інженерних і фізичних наукових досліджень.