Фізики створили теорію, здатну поліпшити іонні пастки, які використовують у квантових дослідженнях і спектроскопії.
Іонні пастки дозволяють тривало утримувати заряджені частинки в невеликому обсязі, що необхідно для різних досліджень. Наприклад, частинку в пастці можна охолодити до температур, близьких до абсолютного нуля, коли вона практично «завмирає».
Фізики з Університету ІТМО вивчають так звані багатоелектродні (мультипольні) радіочастотні пастки. У них на кілька електродів подається змінне електричне поле з частотою в радіодієстоні, яке змушує іони рухатися по складній замкнутої траєкторії в обмеженому об'ємі.
Різні типи пасток відрізняються робочою частотою і конфігурацією електромагнітного поля всередині них, визначеною кількістю, розташуванням і формою електродів. Для охолодження незаряджених частинок застосовують оптичні пастки. Однак радіочастотні пастки дозволяють охолоджувати заряджені частинки до нижчих температур.
Утримання частинок у пастці схоже на утримання кульки на дощечці, яку нахиляють в різні боки, не даючи йому звалитися. При цьому кулька катається на дощечці по складній траєкторії.
На відміну від простіших лінійних пасток, де заряджена частинка утримується на осі пристрою в одній точці простору, в багатоелектродних нелінійних пастках частинки можуть бути захоплені в декількох точках. Однак ефективній роботі подібних пристроїв заважає випадкова несиметричність руху частинок, яку не могла описати теорія, розроблена раніше для простих пасток.
Дослідникам з Університету ІТМО вдалося зрозуміти, як поводиться електромагнітне поле всередині складних іонних пасток. Вони розробили новий метод його аналізу, який вперше дозволив пояснити дивні відхилення від симетрії в різних експериментах. Новий підхід дозволить контролювати і прогнозувати захоплення іонів в різних умовах, при різних положеннях електродів і величинах напруги, поданих на них. Це необхідно для розробки більш ефективних пасток. Зокрема, дослідники проаналізували пастку з 22 електродами.
Цікаво, що поштовхом до цієї роботи стала поведінка чашечки кави в кавомашині. Семен Рудой з лабораторії «Нелінійна оптика конденсованих середовищ» розповів:
"Наше дослідження, яке вилилося в нову методику, почалося з кави. Я його дуже люблю і часто користуюся кавомашиною на роботі. Але моя кухоль при цьому весь час з'їжджає з піддону. Причому щоразу в різні боки, отже, це відбувається не через загальний нахил машини. Я вивчив літературу з вібромеханіки і дійшов висновку, що виною всьому так зване нелінійне тертя. Потім я зрозумів, що це явище можна знайти в радіочастотних пастках, які ми досліджуємо. Ми застосували методику прямого поділу руху з вібромеханіки і раптово виявили, що вона дозволяє аналізувати раніше нез'ясоване порушення симетрії в пастках! "
Нагадаємо, що метод прямого поділу рухів заснований на представленні руху у вигляді суми швидкої і повільної складової, що мають різні закони поведінки, що спрощує їх математичний аналіз.
Ефективність методу автори роботи перевірили на експериментальних даних, отриманих в інших дослідженнях. Вони планують використовувати його при проектуванні та створенні радіочастотних пасток для різних мікрочастинок. Наприклад, вони збираються досліджувати сильно охолоджені в пастках нанокристали, які можуть служити моделлю квантових частинок. Ці дослідження часто дають несподівані цікаві результати.
Результати дослідження опубліковані в Journal of Physics B.