Потери энергии при этом оказались незначительны
Загрузка галереи
Группа физиков разработала способ управления движением заряженных частиц с помощью точек Лагранжа. Для этого они использовали электростатическое поле, по форме напоминающее спираль. Метод может направлять как нерелятивистские, так и релятивистские ионы, протоны и электроны в вакууме. Потери энергии при этом незначительны по сравнению с начальной энергией частиц. Статья опубликована в Nature Communications.
С тех пор как открыли электрон, ученые постоянно искали способы управлять движением заряженных частиц. Сегодня для этого применяют электростатические или магнитные ловушки, а также квадрупольные поля. Например, БАК использует сотни сверхпроводящих магнитов для периодического управления и фокусировки протонов на протяжении всего их пути в ускорителе, но это дорого и технически сложно.
Сделать жизнь ученых проще можно было бы за счет создания волновода для перемещения электронов подобно тому, как фотоны путешествуют в оптоволокне. Однако скорость движения электронов в веществе ограничена значением порядка 106 метров в секунду. На помощь мог бы прийти вакуум, но теорема Ирншоу запрещает устойчивый захват заряженных объектов исключительно электростатическим полем.
Исследователям из Южно-Калифорнийского университета во главе с Мерцедех Кхайавикхан (Mercedeh Khajavikhan) удалось придумать волновод для движения заряженных частиц в вакууме. Оказалось, что электростатическое поле, закрученное в спираль, создает точку Лагранжа, которая захватывает электроны и заставляет их лететь в нужном направлении. Устойчивое положение частиц в точке Лагранжа обеспечивается за счет силы Кориолиса. Чтобы понять, каким будет движение заряженной частицы в этом случае, ученые смоделировали волновод, численно решив уравнение Шрёдингера для электрона вдоль оси z в подвижной системе координат.
Загрузка галереи
На основе этого моделирования физики предложили концепцию экспериментальной установки, в которой заряженные частицы путешествуют подобно фотонам в оптоволокне. В центре экспериментальной установки под напряжением находится металлическая проволока, закрученная в спираль, а снаружи расположена заземляющая трубка. Электроны поступают в волновод из электронной пушки, а индуцируемое проволокой электростатическое поле создает точку Лагранжа, которая захватывает электрон и заставляет его двигаться по спиральной траектории очень малого сечения (около трех миллиметров).
Загрузка галереи
Ученые также оценили возможные потери энергии при движении заряженной частицы в волноводе. Основной вклад в это внесло излучение электрона за счет перпендикулярной составляющей ускорения. По оценкам исследователей, потери в этом случае составят порядка 10-10 децибел на километр, что пренебрежимо мало по сравнению с энергией самой частицы. Например, электрон с энергией 30 килоэлектронвольт, движущийся по волноводу длиной шесть сантиметров, будет терять лишь 0,27 электронвольта в секунду.
Физики отметили, что разработанный ими волновод может начать новую эпоху в создании ускорителей заряженных частиц, а также внести вклад в развитие электронной микроскопии и литографии.
Не так давно в нашем материале «Высокотемпературное ускорение» Гамлет Ходжибагиян объяснил, как физики управляют движением заряженных частиц на примере коллайдера NICA.
Оно оказалось не единственным
Группа физиков выяснила, что при отсутствии внешних сил ткань принимает не какое-то уникальное состояние, в котором затем покоится, а одно из непрерывного множества возможных (при этом переход в такое состояние зависит от коэффициента трения между нитями). Ученые описали этот континуум состояний покоя, использовав собственные экспериментальные данные, а также численное моделирование на основе метода упругих стержней. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.