Лазерный мир

Ученые международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО спроектировали ионную ловушку нового типа. Микрочастицы в такой ловушке можно «перекатывать» между зонами локализации с помощью лазера — подобно бильярдным шарам. В чем уникальность разработки и какие перспективы открывает  исследование, рассказываем в материале.

Ионные ловушки — это устройства, задающие электрическое поле определенной конфигурации. В таком поле можно локализовать заряженные микрочастицы, заставив их , и перемещать пленённые частицы вдоль оси ловушки. В основном такие ловушки используются в масс-спектрометрии — это метод, который позволяет проводить анализ химического состава веществ (используется не только в науке, но также в экологических, химических и геологических исследованиях).

Ученые ИТМО представили новый вариант такой ионной ловушки — по сути, это комбинация двух подходов, причем из разных научных направлений: оптомеханики и нанотехнологий.

Ее структура представляет собой стеклянную подложку с двумя электродами на основе тонких пленок оксида индия-олова (толщиной до 100 нанометров), напыленным в виде особых U- и W-образных форм. Сам материал — оксид индия-олова — довольно хорошо изучен и активно используется в электронике. Например, из него делают экраны мониторов, телевизоров и смартфонов, а также солнечные батареи.Такая популярность объясняется двумя свойствами материала: он достаточно хорошо проводит электричество и при этом прозрачен в видимой области спектра.

Левитирующие микрочастицы карбоната кальция в ионной ловушке. Видео предоставлено международным научно-образовательным центром физики наноструктур ИТМО

Ученые ИТМО поставили перед собой задачу сделать прозрачную ионную ловушку. Это нужно, чтобы на микрочастицы можно было бы воздействовать двумя силами сразу: электрической ― за счет взаимодействия с полем электродов ловушки, и оптической ― за счет взаимодействия с лазерным излучением. Такой метод дает больше возможностей для управления положением частиц.

В предыдущих версиях ловушек частицы левитировали, но были малоуправляемы. Исследователи могли менять их траекторию движения, но не положение в пространстве. Прозрачная ловушка открывает новое измерение: теперь на частицы можно влиять лазером, установленным прямо под подложкой. Сила со стороны лазерного излучения (снизу-вверх) компенсирует силу гравитации (сверху-вниз), то есть, фактически, «выключает» её. И тогда на частицы начинает действовать только электродинамические силы — а они, в свою очередь, зависят от геометрии и электропитания электродов.

В устройстве возможны два режима локализации частиц: они концентрируются либо в двух изолированных «лунках» (при «включенной» силе тяжести), либо в одной (при «выключенной» силе тяжести). Достигается это как раз за счет особой формы электродов ловушки:

«Особая форма U- и W-электродов из оксида индия-олова дает нам несколько областей локализации в одной ловушке. Лазерным лучом мы можем перегонять частицы из одной импровизированной “лунки” в другую без дополнительного физического вмешательства. Можно даже сталкивать частицы друг с другом (как при игре в обычном бильярде), и реализовывать своеобразный наноразмерный синтез», — объясняет первый автор работы, старший научный сотрудник Дмитрий Щербинин.

Две лунки — далеко не предел. В зависимости от геометрии ловушки их может быть и три, и четыре, и даже больше ― количество не ограничено. Это позволит проводить сортировку частиц по их физическим свойствам, создавать особые формы материи, называемые квази-кулоновскими кристаллами (а это, в свою очередь. может стать прорывным подходом в квантовых симуляциях и исследованиях физики твердого тела), а также проводить прецизионные измерения ― в том числе гравитационных полей.

Как объясняют авторы работы, у эксперимента было три цели. Во-первых, проверить, будет ли работать прозрачная ловушка (что само по себе уникально для фундаментальной науки — до этого никто из ученых о таких структурах не писал). Во-вторых, попробовать управлять частицами именно с помощью оптического излучения и в дальнейшем попытаться скомбинировать ловушку с лазерным пинцетом — инструментом для манипулирования микроскопическими объектами.

Комбинация лазерного пинцета с электродинамическими ловушками позволит более эффективно локализовывать исследуемые объекты. Кроме того, это может дать дополнительные возможности для пространственного управления положением захваченных исследуемых частиц. В последние несколько лет оптические пинцеты активно используют в биофизике для изучения структуры и принципа работы белков, их сортировки и, что наиболее важно, для того, чтобы дифференцировать раковые клетки среди здоровых. В-третьих, изучить возможности оптической компенсации силы тяжести — это может быть полезно в сфере метрологии или для улучшения свойств гравиметров (приборов для высокоточного измерения тяжести, применяемых при поиске полезных ископаемых). Работа поддержана грантом РНФ.

Dmitrii Shcherbinin, Vadim Rybin, Semyon Rudyi, Aliaksei Dubavik,Sergei Cherevkov, Yuri Rozhdestvensky, Andrei Ivanov, «Charged Hybrid Microstructures in Transparent Thin-Film ITO Traps: Localization and Optical Control». Surfaces, 2023.

Источник: https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/13268/