Двумерный массив из 25 микросфер заставили левитировать в вакууме

Группа физиков из Израиля и США продемонстрировала левитацию 25 микросфер из оксида кремния с помощью одного лазерного луча и акустооптического модулятора. В итоге ученые не только подвесили частицы в вакуумной камере, но и добились управления каждым объектом массива в отдельности, построив несколько геометрических фигур. Результаты опубликованы в Physical Review A.

Заставить микроскопический объект левитировать проще простого: например, можно поместить частицу в перетяжку лазерного пучка, и тогда сила светового давления будет удерживать тело внутри луча, не давая покинуть его пределы — по такому принципу работает оптический пинцет (подробнее об этом читайте в нашем материале «Левитация для маглов»). Такие оптические ловушки физики объединяют вместе, чтобы управлять сразу множеством микрочастиц — создавать трехмерные цветные голограммы или использовать как часть гироскопа. При этом исследователи все еще ищут новые способы, которые помогут быстро и точно менять положение объектов в условиях оптической левитации.

Бенджамин Сигел (Benjamin Siegel) совместно с коллегами из Израиля и США продемонстрировал левитирующий массив из 25 микросфер в вакууме, а также заставил эти сферы перестраиваться в пространстве в виде различных геометрических фигур.

Чтобы заставить левитировать 25 сфер из оксида кремния диаметром 10,8 микрометра, физики использовали лазерный луч с длиной волны 1064 нанометров, который разделили с помощью акустооптического модулятора и направили в вакуумную камеру. Суть технологии состояла в том, что с помощью программируемой пользователем вентильной матрицы исследователи сгенерировали на акустооптическом модуляторе отдельную частоту для каждой сферы, пройдя циклически по всем элементам массива — получилась псевдонепрерывная во времени ловушка для каждой отдельной сферы, которая периодически включалась и выключалась. Псевдонепрерывность позволила ученым управлять любой из сфер отдельно от остальных, при этом для обхода массива экспериментальная установка тратила около половины миллисекунды.

Положение сфер физики измеряли следующим образом: они поместили в Фурье-плоскости оптической системы квадрантный фотодиод (фотодетектор, активная зона которого разделена на четыре независимые части) и зафиксировали интерференционную картину от прошедшего через микросферы света. Поскольку лазер облучал сферы по очереди, то в каждый момент времени на фотодиод попадала информация о положении только одного шарика из массива. Помимо этого физики использовали высокоскоростную съемку со скоростью 2247 кадров в секунду, чтобы зафиксировать картину движения всех объектов одновременно. Для обработки снятых видео исследователи использовали два классических метода (один из них — с помощью библиотеки Trackpy), а также сверточную нейросеть с двумя слоями, предобученную на искусственных данных.

Авторы работы продемонстрировали управление сферами, выстраивая их в массивы различной формы. С помощью венгерского алгоритма ученые минимизировали количество шагов, необходимое для перестроения массива в новую геометрическую структуру. Дополнительно физики учли, что сферы не могут приближаться слишком близко друг к другу — в противном случае их взаимное влияние ломало структуру массива и приводило к потерям сфер. В результате исследователи добились перемещения микросфер со скоростью 20 микрометров в секунду и построения из них массивов практически любой произвольной формы.

Так как при загрузке микросфер в вакуумную камеру они наэлектризовались под действием трибоэлектрического эффекта, авторы исследования предложили в дальнейших экспериментах использовать ультрафиолетовое излучение, чтобы нейтрализовать накопленный заряд и минимизировать нежелательную силу кулоновского взаимодействия.

О том, как физики сделали волчок из наночастиц кремния, мы писали ранее.