Магнитное поле рассортировало эллиптические частицы в микрофлюидном чипе
Физики разработали новый метод сортировки магнитных частиц в микрофлюидных чипах, основанный на совмещении магнитного поля и гидродинамических эффектов. В работе, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи показали, что такой метод можно использовать для разделения по размерам эллиптических частиц размером более двух микрон.
Микрофлюидные устройства, состоящие из каналов микронного размера, позволяют проводить химический синтез и анализ в системах ограниченного объема. Благодаря развитию методов мониторинга сейчас с помощью таких систем можно синтезировать и исследовать довольно большое количество разных веществ, уместив при этом на одном небольшом чипе размером с монетку функции целой лаборатории, которая проводит последовательно несколько стадий: синтез нужных частиц, их разделение и необходимые методы анализа. Одним из важных компонентов такой «лаборатории на чипе» является элемент, который позволяет сортировать частицы, движущиеся по микроканалам, в зависимости от свойств — размера, формы, заряда или упругих свойств.
Группа физиков из Оксфордского университета под руководством Джулии Йоманс (Julia M. Yeomans) предложила способ разделения в микроканалах магнитных частиц эллиптической формы. В основе метода лежит совместное действие на такие частицы постоянного магнитного поля и жидкости, имеющей в микроканале параболический профиль.
Постоянное магнитное поле в предложенном подходе используется для того, чтобы зафиксировать в потоке нужную ориентацию частицы. В параболическом потоке в каждой точке свой наклон профиля скорости, поэтому в зависимости от ориентации частицы для нее наиболее выгодным может оказаться движение на различном расстоянии от стенки.
При этом для возможности разделения частиц по размеру, важно, что под влиянием потока изначальная ориентация частиц в результате действия магнитного поля немного изменяется. Поскольку частицы разного размера имеют различный магнитный момент и на них с разной силой действует закручивающее течение, то конечная равновесная ориентация у них будет отличаться. Соответственно, отличаться будет и их конечное положение внутри канала, что, собственно, и позволяет отсортировать частицы по размеру.
Показав с помощью теоретических выкладок, что предложенный подход может работать, ученые проверили его с помощью компьютерного моделирования и проследили за непосредственным движением частиц в канале. Оказалось, что даже при наличии дополнительных эффектов, связанных с возможными тепловыми флуктуациями, такой метод позволяет отделять друг от друга частицы разного размера и формы. Минимальный размер частиц, которые могут быть отсортированы таким образом, составляет около двух микрон.
Основным преимуществом данного метода является то, что с помощью магнитного поля можно не только сортировать частицы в микроканале по размеру, но и изменять высоту, на которой они фокусируются. То есть изменяя магнитное поле, можно управлять положением частиц в микроканале прямо по ходу эксперимента.
Для сортировки частиц по размерам чаще используют не магнитное поле, а электростатическое. Такие методы основаны на методах электроосмоса и электрофореза и могут использоваться для разделения по размерам молекул ДНК или незаряженных коллоидных частиц.
Александр Дубов
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».
