Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
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 В разрыве протопланетного диска звезды WISPIT 2 ученые разглядели зарождающуюся планету. Это уже второй гигант в этом формирующемся «семействе», что делает его крайне похожим на молодую Солнечную систему.
Жизнь в суровых условиях вечной мерзлоты — вызов даже для бактерий. Для нее требуются уникальные адаптации к холоду и другим стрессовым факторам. В новом исследовании ученые МФТИ с коллегами описали белки Exiguobacterium sibiricum — бактерии, найденной в многолетнемерзлых породах на северо-востоке Сибири. Исследователи выяснили, как набор белков в мембране микроба зависит от температуры, при которой его культивируют.
Десятки странных архитектурных структур, обнаруженных в тропических лесах Юкатана, когда-то были не ритуальными сооружениями майя, а рынками с рядами прилавков, пришли к выводу археологи.
В разрыве протопланетного диска звезды WISPIT 2 ученые разглядели зарождающуюся планету. Это уже второй гигант в этом формирующемся «семействе», что делает его крайне похожим на молодую Солнечную систему.
В парках некоторых стран все чаще можно заметить странную картину: синицы и воробьи вместо пуха и веточек приносят в клювах сигаретные окурки. Орнитологи из Польши решили выяснить, зачем птицы выстилают гнезда мусором, пропитанным никотином. Оказалось, пернатые нашли способ использовать вредную человеческую привычку для защиты своего потомства. Но, как это часто бывает в природе, у медали есть обратная сторона.
Марсоход «Персеверанс» обнаружил в камнях на кромке кратера Езеро спектральные признаки минерала корунда, из которого на Земле образуются рубины и сапфиры. Такие спектры на Красной планете зарегистрировали впервые. Теперь ученые пытаются понять, при каких процессах он мог там сформироваться, ведь условия на Марсе заметно отличаются от тех, в которых корунд обычно образуется на Земле.
Марсоход «Персеверанс» обнаружил в камнях на кромке кратера Езеро спектральные признаки минерала корунда, из которого на Земле образуются рубины и сапфиры. Такие спектры на Красной планете зарегистрировали впервые. Теперь ученые пытаются понять, при каких процессах он мог там сформироваться, ведь условия на Марсе заметно отличаются от тех, в которых корунд обычно образуется на Земле.
В парках некоторых стран все чаще можно заметить странную картину: синицы и воробьи вместо пуха и веточек приносят в клювах сигаретные окурки. Орнитологи из Польши решили выяснить, зачем птицы выстилают гнезда мусором, пропитанным никотином. Оказалось, пернатые нашли способ использовать вредную человеческую привычку для защиты своего потомства. Но, как это часто бывает в природе, у медали есть обратная сторона.
За 10 лет лежания в почве сигаретные фильтры не растворились, а лишь замаскировались под грязь. Их пластиковые волокна распались на микрочастицы, намертво склеились с минералами и превратились во вторичный микропластик. Более того, на пятом году гниения мусор начал отравлять землю с новой силой.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
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