В ИТМО придумали, как увеличить чувствительность сенсоров с левитирующими частицами
Ученые ИТМО изучили, как меняется характер движения одиночной левитирующей микрочастицы, и нашли оптимальное состояние, при котором она становится крайне чувствительной к малым внешним воздействиям. Обнаруженный эффект может лечь в основу чувствительного универсального сенсора, позволяющего проводить точные и быстрые измерения вектора силы тяжести, ускорений и угловых моментов, направленных малых сил. Потенциально такие данные будут полезны в геологоразведке, определении сейсмоактивности и местоположения судов и другого транспорта.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review A. Левитирующие оптомеханические системы — устройства, которые позволяют исследовать одиночные нано- или микрочастицы в изоляции от внешних механических воздействий. Частицы буквально левитируют. Этот способ ученые используют для наиболее точного измерения силы, крутящего момента, ускорения, а также исследования фундаментальных законов и принципов физики, например, квантовых состояний и нелинейных процессов.
Этот подход исключает внешние шумы и ненужные воздействия на объект, и тем самым повышает чувствительность системы. Другими словами, нано- или микрочастица чутко улавливает и реагирует на малейшие внешние воздействия. Высокая чувствительность полезна для разных датчиков — например, регистрации высокочастотных гравитационных волн и метрологических исследований. В последние годы левитирующие системы начинают применяться в промышленности в виде компактных, точных и быстрых акселерометров.
Обычно ученые исследуют крошечные частицы, такие как атомарные ионы, так как их динамика описывается простыми уравнениями. При переходе к нано- и микрочастицам в силу вступают нелинейные процессы, при которых слабые внешние «возмущения» приводят к сильному отклику в движении микрочастиц.
«Чем больше энергии подается микрочастице, тем больше становится ее скорость. Но также возрастает нелинейная сила трения, из-за которой микрообъект теряет скорость. Получается замкнутый круг, неустойчивое равновесие. Если добавить слишком много энергии, случится фазовый переход: микрочастица начнет носиться, как заведенная игрушка. Ученые предпочитают избегать сложно описываемые нелинейные эффекты, поэтому изучают динамику крупных частиц в вакуумных условиях, где нет потери энергии. Но мы рассмотрели проблему с другой стороны: если есть нелинейный процесс, значит, в какой-то момент микрочастица станет очень чувствительной к внешним воздействиям. Вместо того, чтобы отказаться от сложностей, мы решили изучить их и в перспективе использовать для создания более чувствительного сенсора», — рассказал руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории «Нелинейная оптика конденсированных сред» международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Дмитрий Щербинин.
В прошлой работе исследователи ИТМО изучили нелинейную динамику одиночной микрочастицы, которая левитирует в воздухе в квадрупольной ловушке, и выделили два режима движения — линейный (колебания с малой амплитудой) и нелинейный (движение микрообъекта по ромбовидной траектории).
В новом исследовании ученые впервые рассмотрели, как именно происходит фазовый переход между линейным и нелинейным режимом движения, и нашли оптимальное состояние, при котором микрочастица становится крайне чувствительной к малым внешним возмущениям.
Разные режимы движения микрочастицы можно представить на примере студентов, которые пишут контрольную работу, и преподавателя, следящего за порядком. Пока преподаватель в аудитории, студенты ведут себя тихо. Это линейный режим с низкой амплитудой — частица колеблется вблизи центра ловушки с небольшой амплитудой. Когда преподаватель на что-то отвлекся, студенты начали передавать записки. В физическом мире линейный режим остался, но амплитуда движения немного увеличилась.
Если преподаватель покинул аудиторию, студенты стали шуметь и громко обсуждать задачи. Это нелинейный режим — амплитуда движения микрочастицы увеличилась на несколько порядков, и она начала двигаться по ромбовидной орбите с радиусом близким к размерам самой ловушки. Между линейным и нелинейным режимами случилось внешнее возмущение (преподавателя вызвал директор), которое привело к постепенному изменению режима — фазовому переходу.
«Мы исследовали поведение левитирующей микросферы диоксида кремния на границе фазового перехода. Мы определили четыре характерных динамических состояния движения и выяснили, что микрообъект наиболее чувствителен вблизи фазового перехода, так как его движение становится неустойчивым и резонансным. В спектре колебаний появляются новые частоты, амплитуда которых быстро усиливается.
Поэтому даже малейшее внешнее воздействие заметно отражается на амплитуде движения и на спектре частот, и из-за этого микрочастица становится очень чувствительной. Мы показали, что даже небольшое воздействие на систему с использованием лазерного излучения может столкнуть систему в нелинейный режим», — объяснил первый автор исследования, младший научный сотрудник лаборатории «Нелинейная оптика конденсированных сред» международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Вадим Рыбин.
По словам исследователей ИТМО, для любой микрочастицы сферической формы с собственным электрическим зарядом можно рассчитать параметры, которые приведут ее к фазовому переходу и придадут ей повышенную чувствительность. Также можно измерить любое внешнее воздействие вне зависимости от его природы — электрическое, магнитное, оптическое и гравитационное поле. На основе эффекта, впервые рассмотренного исследователями ИТМО, возможно создать универсальный сенсор с высокой чувствительностью. Его можно будет использовать для точной геологоразведки, определения сейсмоактивности и местоположения судов, где недостаточно хорошо работает GPS-навигация, например в Арктике.
Сейчас физики ИТМО продемонстрировали фазовый переход микрочастицы в эксперименте. В дальнейшем они планируют разработать математическую модель, которая будет предсказывать и описывать возникающие в работе эффекты, и на ее основе создать универсальный сенсор для калибровки чувствительности измерительных приборов на разных типах взаимодействия.
Исследование поддержано грантом Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС».
Telegram 
Дзен 
VK Компания Nikon объявила победителей ежегодного конкурса Small World in Motion 2026 года. Жюри отобрало лучшие видеоролики и таймлапсы, снятые через микроскоп. Предлагаем вам посмотреть работы, объединившие науку и искусство.
Управление Конгресса США по бюджету подготовило доклад о последствиях глобального потепления. Первыми изо всех государственных органов в истории оно спрогнозировало серьезное снижение смертности из-за потепления климата. Это идет наперекор многолетней традиции полного игнорирования официальными документами давно известного в науке факта подавления избыточной смертности из-за роста глобальных температур.
Благодаря свинцу, входившему в состав чернил, ученые, возможно, смогут прочитать давно утраченные тексты античных философов на обугленных папирусных свитках, переживших извержение Везувия. Новый метод уже позволил сделать это на точных имитациях древних свитков.
Спустя три года после начала испытательных полетов крупнейшую ракету и космический корабль в истории человечества объявили готовыми к первому запуску на орбиту. Причем его планируют сразу десятичасовым и с выводом большой группы спутников Starlink нового поколения. По пропускной способности один этот запуск добавит столько же, сколько десять запусков Falcon 9, современного лидера серийного земного ракетостроения.
Анализ данных о почти 300 тысячах километров римских дорог, проложенных по территории бывшей империи, показал, что они вовсе не были такими прямыми, как принято считать. Кроме того, выяснилось, что известная поговорка «Все дороги ведут в Рим» тоже не соответствует истине.
Экономисты НИУ ВШЭ выяснили, что российские сотрудники, которые регулярно пользуются искусственным интеллектом в работе, зарабатывают намного больше тех, кто отказывается от новых инструментов или прибегает к ним время от времени. Среди высококвалифицированных специалистов прибавка достигает 41,8%.
Нейросеть OpenAI добилась серьезного прорыва в математике, решив одну из семи «задач тысячелетия». Получат ли США, чьи нейросети опираются на гораздо более мощное «железо», чем у Китая, монополию на конвейер научных открытий? Даст ли это возможности сравнимые с их атомной монополией 80 лет назад?
Сопротивление жителей Европы самой идее употребления насекомых в пищу может иметь эволюционные корни, уходящие вглубь тысячелетий, пришли к выводу авторы нового исследования. Оказалось, предки современных европейцев ели насекомых лишь эпизодически. Кроме того, из-за генетических мутаций они плохо переваривали их экзоскелеты.
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно