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 Мужчина, отправившийся на утреннюю прогулку на юго-западе Норвегии, случайно сделал крайне редкую и ценную находку — золотое украшение для ножен меча в виде переплетенных между собой змееподобных существ. По мнению ученых, в VI веке нашей эры этот артефакт специально поместили в трещину в скале в качестве подношения богам во времена голода и социальных потрясений.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
Как доставить противоопухолевое лекарство в головной мозг через нос, придумали молодые ученые Института фармации имени А.П. Нелюбина Сеченовского Университета. Они создали «умную» интраназальную лекарственную форму на основе геллановой камеди, которая позволяет препарату дольше задерживаться на слизистой и доставлять активное вещество в мозг, минуя гематоэнцефалический барьер. Эксперименты на лабораторных крысах подтвердили безопасность технологии. Следующий шаг — проверка ее эффективности на моделях с глиобластомой — одной из самых агрессивных опухолей мозга.
Канадские исследователи идентифицировали останки четырех членов пропавшей полярной экспедиции Джона Франклина 1845 года, сравнив их ДНК с генетическим материалом современных потомков. Открытие решило полуторавековую загадку с переодетым матросом и помогло восстановить маршрут отступления экипажа по льдам. Выяснилось, что при эвакуации моряки разделились по кораблям, после чего бросили ослабевших товарищей в спасательных шлюпках.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые нашли убедительное свидетельство того, что Большое Магелланово Облако — одна из ближайших к нам галактик — впервые приближается к Млечному Пути. Это открытие меняет представления о будущем нашей Галактики — от орбит спутников до распределения окружающего газа.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
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