Съезжающая чашка кофе помогла уточнить траекторию ионов в мультипольной ловушке

Физики из Университета ИТМО разработали теорию, которая корректно описывает электромагнитное поле нелинейной ионной ловушки — прибора, который обычно используют для охлаждения заряженных частиц. В будущем эта теория позволит «улучшить» ионную ловушку — поместить в нее больше частиц и точно предсказать их положение в пространстве. Интересно, что идея нового метода пришла физикам в голову случайно, когда они наблюдали за движением чашки кофе по поддону кофемашины. Статья опубликована в Journal of Physics B, кратко о ней рассказывает пресс-релиз университета.

Как правило, для работы с заряженными частицами физики используют ионную радиочастотную ловушку — конфигурацию переменных электромагнитных полей, удерживающих частицу в одной стабильной точке. В частности, ионные ловушки применяют для охлаждения частиц и измерения их масс-спектров, изучения ионного транспорта и строения сложных органических соединений. В принципе, для тех же целей можно использовать и оптическую ловушку, которая удерживает частицы за счет рассеяния света, а не электрического отталкивания. Однако для заряженных частиц ионные ловушки позволяют добиться лучших результатов — например, более низких температур и более высокой точности — поэтому их использование более предпочтительно.

Самая распространенная конструкция ионной ловушки — это квадрупольная ловушка, разработанная немецким физиком Вольфгангом Паулем в 1953 году. В основе этой ловушки лежат четыре гиперболических электрода, которые создают квадрупольное электрическое поле, осциллирующее c частотой порядка нескольких герц (как радиоволны). Вообще говоря, заряженная частица, помещенная в квадрупольное поле, стремится из него выскочить (такая конфигурация нестабильна из-за теоремы Ирншоу). Однако из-за переменности потенциала после усреднения по времени в ловушке возникает метастабильная точка, в которой частица может сидеть сколь угодно долго. Если частица покидает положение равновесия, ее тянет обратно эффективная сила, прямо пропорциональная отклонению частицы. В этом заключается главное преимущество квадрупольной ловушки: из-за линейности силы нам неважно, в какую точки ловушки бросить частицу, вести себя она будет одинаково. В этом же заключается и главный ее недостаток: в каждой точке пространства линейная сила слишком велика, а потому управлять движением частицы сложно. Поэтому физики также разрабатывают нелинейные ловушки, теоретически позволяющие проводить более точные измерения.

К сожалению, предсказать поведение частицы, попавшей в нелинейную ловушку, гораздо сложнее, чем для обычной квадрупольной ловушки. Несмотря на то, физики работают с такими конструкциями уже более двадцати лет, до сих пор не существует универсальной теоретической модели, которая описывает динамику иона в нелинейной ловушке. Чтобы хоть как-то упростить работу, ученые разделяют движение частицы на макроскопическую (медленную) часть, которая определяется кольцевым статическим псевдопотенциалом, и микроскопическую (радиочастотную) часть, описывающие небольшие отклонения от макроскопического движения. В линейной ловушке этот подход работает хорошо, однако в нелинейных ловушках амплитуда микроскопического движения может превысить характерный радиус макроскопической траектории, и такое описание становится бесполезным.

Физики Семён Рудый, Татьяна Вовк и Юрий Рождественский предложили новый подход к описанию движения ионов, который одинаково хорошо работает для линейных и нелинейных оптических ловушек. Для этого ученые применили метод полного разделения движений, который широко используется в вибромеханике. Для простоты ученые пренебрегали трением, из-за которого частица постепенно замедляется. Как и в стандартном подходе, исследователи разделили движение на статическую и быстро осциллирующую часть. Однако на этот раз псевопотенциал, определяющий статическую часть, зависел не только от конфигурации фоновых полей, но и от усредненной кинетической энергии быстро осциллирующих частей. Это позволило ученым уточнить усредненные уравнения движения ионов, попавших в ловушку.

Чтобы проверить работоспособность предложенной модели, ученые сравнили ее предсказания с экспериментом и приближенными численными расчетами на примере 22-польной ионной ловушки. Как и ожидалось, рассчитанный профиль потенциала практически в точности совпадал с настоящим профилем, но отличался от предсказаний стандартного подхода. Например, он корректно описывал отклонение кольцевого потенциала от идеально симметричной формы, которое наблюдается на практике. Физики связывают это отклонение с растущей амплитудой микроскопического движения, которое нарушает симметрию системы.

Кроме того, с помощью построенной модели исследователи обнаружили общую закономерность нелинейных ионных ловушек. А именно, из расчетов ученых следует. Что в 2n-польной ловушке (при n > 2) существует n метастабильных точек, в которые можно поместить частицы, и еще одна нестабильная точка. В квадрупольной ловушке (n = 2) обе точки совпадают. Авторы надеются, что этот результат можно будет использовать при разработке более эффективных ионных ловушек.

Интересно, что идея полного разделения движения ионов в мультипольной оптической ловушке возникла у физиков случайно. Семён Рудый, сотрудник лаборатории «Нелинейная оптика конденсированных сред» Университета ИТМО, рассказывает: «Наше исследование, которое вылилось в новую методику, началось с кофе. Я его очень люблю и часто пользуюсь кофемашиной на работе. Но моя кружка при этом все время съезжала с поддона, причем каждый раз в разные стороны. Я сделал вывод, что это происходит не из-за общего наклона машины, изучил литературу по вибромеханике и пришел к выводу, что виной всему так называемое нелинейное трение. Затем я понял, что данное явление можно найти в радиочастотных ловушках, которые мы исследуем. Мы применили методику полного разделения движения из вибромеханики и внезапно обнаружили, что она позволяет анализировать ранее необъясненное нарушение симметрии в ловушках!»

Физики часто используют ионные ловушки для работы с заряженными частицами. Например, в октябре 2017 года американские исследователи измерили дипольный момент электрона, захватив молекулярный ион HfF⁺ в ионную ловушку и измерив разницу между его магнитными уровнями с помощью электронного спинового резонанса. В результате ученые установили, что дипольный момент частицы не превышает 10⁻²⁹ элементарных зарядов на сантиметр, то есть с высокой точностью подтвердили «круглость» электрона. В апреле 2018 группа химиков из Швейцарии, Германии и США использовали ионную ловушку, чтобы определить химическую структуру октамера серина — одного из необычайно устойчивых кластеров, состоящего из восьми аминокислот одинаковой хиральности. Кроме того, в прошлом году британский физик Дэвид Надлингер (David Nadlinger) поймал ион стронция в квадрупольную ионную ловушку и сфотографировал его излучение на обычную зеркальную камеру, тем самым выиграв конкурс научной фотографии британского Совета по инженерным и физическим научным исследованиям.

Дмитрий Трунин