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 1980-х годах большую популярность приобрела борьба с озоновыми дырами. Из-за нее хладагенты из хлорфторгулеродов заменили на аналоги из гидрофторуглеродов. Теперь ученые выяснили, что эта замена — как и следующие за ней, уже в рамках борьбы с глобальным потеплением — ведет к накоплению в атмосфере довольно опасных «вечных химикатов».
Ученые из МФТИ, НИУ ВШЭ и ОИВТ РАН показали, что жидкость может перейти в стеклообразное состояние под действием давления. Эта работа не только раскрывает механизм перехода, заполняя пробелы в фундаментальных вопросах физики, но и предлагает подход, с высокой точностью моделирующий поведение материалов в экстремальных условиях.
Группа ученых представила расчеты, по которым события в центре Млечного Пути можно объяснить без черной дыры. Правда, с физической точки зрения новое объяснение существенно более экзотично — настолько, что возникает вопрос о его соответствии бритве Оккама.
В 1980-х годах большую популярность приобрела борьба с озоновыми дырами. Из-за нее хладагенты из хлорфторгулеродов заменили на аналоги из гидрофторуглеродов. Теперь ученые выяснили, что эта замена — как и следующие за ней, уже в рамках борьбы с глобальным потеплением — ведет к накоплению в атмосфере довольно опасных «вечных химикатов».
Специалисты УКБ №1 имени С.Р. Миротворцева СГМУ имени В.И. Разумовского провели успешное эндоскопическое удаление крупного кровоточащего новообразования толстой кишки у ребенка без разреза, через просвет кишки.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина и Института проблем управления имени В.А. Трапезникова РАН (ИПУ РАН) создали технологию экспресс-анализа качества природного газа. Впервые для этих целей была разработана нейросеть, что позволило определить показатели качества пробы в режиме реального времени за несколько секунд вместо 20-40 минут традиционным способом — с помощью газовой хроматографии.
От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
Международная команда палеонтологов описала новый вид динозавра размером с крупную современную птицу. Он носил на голове плотный костяной нарост, который эти животные, возможно, использовали для внутривидовых разборок. Находка показывает, что даже мелкие хищники мелового периода могли решать конфликты не только когтями и зубами, но и ударами головой.
Образцы грунта, взятые астронавтами полвека назад, вложили еще один важный кирпич в здание научной картины мира: гипотеза о том, что Земля исходно была сухой, не стыкуется с фактами. Похоже, идею о невозможности сохранения большого количества воды на «теплых» планетах придется пересмотреть.
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