Mit der Kaffeemaschine zu effizienteren Ionenfallen
Wissenschaftler der ITMO University haben ein neues Verfahren zur Analyse des elektromagnetischen Feldes in Ionenfallen entwickelt und angewendet. Erstmals wurden die Feldabweichungen in nichtlinearen Hochfrequenzfallen erläutert. Dies ermöglicht es, die potenziellen nichtlinearen Fallenanwendungen, einschließlich Ionenkühlung und Untersuchungen von Quantenphänomenen, zu überdenken.
Experimenteller Aufbau für die Untersuchung neuer Ionenfallen.
ITMO University
Ionenfallenschema.
ITMO University
Ionenfallen können einzelne geladene Partikel in einem engen Raum lokalisieren und zurückhalten, um sie anschließend mit diesen Partikeln zu manipulieren, wie z.B. zu verschieben oder sogar abzukühlen. Die Kühlung eines Ions bedeutet im Wesentlichen die Reduzierung seiner kinetischen Energie, die dieses Ion fast vollständig "einfriert". Wissenschaftler glauben, dass diese Technik in Zukunft helfen wird, Quantenphänomene mit bloßem Auge zu beobachten.
Die Arten von Hochfrequenz-Fallen unterscheiden sich in der Frequenz und Konfiguration des Feldes in ihnen. Um ungeladene Partikel zu kühlen, werden in der Regel bequemere optische Fallen verwendet. Hochfrequenz-Fallen ermöglichen es jedoch, geladene Partikel auf niedrigere Temperaturen zu kühlen.
Physiker der ITMO University untersuchen aktiv Hochfrequenz-Fallen und suchen nach neuen Wegen, um sie effektiver zu machen. In ihrer neuen Forschung haben sie einen neuen Ansatz für eine genauere Analyse des elektromagnetischen Feldes in einer nichtlinearen Hochfrequenzfalle vorgeschlagen. Im Gegensatz zu einfachen linearen Fallen, bei denen ein Ion nur an einer Stelle des Fallenbereichs zurückgehalten wird, können Partikel in nichtlinearen Fallen an mehreren Stellen "gefangen" werden. Zuvor entwickelte Modelle waren nur für einfache Fallen geeignet, da sie die Feldsymmetrieverletzung, die bei nichtlinearen Fallen auftritt, nicht erklären konnten. Das vorgeschlagene Modell ist universeller, da es die Symmetriebrechung erklärt und sich sowohl für die Beschreibung einfacher als auch komplexer Fallen eignet.
"Unsere Forschung, die zu einer neuen Technik führte, begann mit einer Kaffeetasse. Ich genieße es sehr und benutze oft eine Kaffeemaschine bei der Arbeit. Ärgerlicherweise gleitet meine Tasse während der Kaffeezubereitung immer auf dem Tablett. Und das jedes Mal in verschiedene Richtungen, d.h. nicht durch die Gesamtneigung der Maschine verursacht. Ich habe die Literatur zur Vibromechanik studiert und bin zu dem Schluss gekommen, dass die sogenannte nichtlineare Reibung schuld ist. Dann wurde mir klar, dass dieses Phänomen in den von uns untersuchten Hochfrequenzfallen zu finden ist. Wir haben die Methode der vollständigen Trennung der Bewegung, wie sie in der Vibromechanik üblich ist, angewandt und plötzlich festgestellt, dass dies eine Beschreibung der bisher unerklärlichen Symmetriebrüche in den Fallen ermöglicht", sagt Semyon Rudyi vom Nonlinear Optics Laboratory an der ITMO University.
Wissenschaftler haben ihre Methode an den experimentellen Daten aus früheren Studien getestet. Alte Modelle des Hochfrequenz-Fangens konnten seltsame Abweichungen, die bei nichtlinearen Fallen auftreten, nicht erklären, was die Möglichkeiten der Anwendung nichtlinearer Fallen einschränkte. Im Rahmen des vorgeschlagenen Modells wurden diese Abweichungen vollständig begründet. Ein neuer Ansatz hilft bei der Vorhersage und Kontrolle der Lokalisation geladener Partikel für verschiedene Elektrodenpositionen und Spannungen. Dies ist notwendig, um effizientere Hochfrequenzfallen für verschiedene Anwendungen zu schaffen.
"Auch wenn diese Arbeit theoretisch ist, ist sie doch eng mit der Praxis verbunden. Unsere Gruppe entwickelt neue Designs von Hochfrequenz-Fallen und konstruiert sie, um verschiedene geladene Partikel konsequent zu lokalisieren. Wir untersuchen auch theoretisch Nanokristalle, die in diesen Fallen tief gekühlt werden, da diese Partikel Quanteneffekte modellieren können. Unsere Studien bringen oft unerwartete interessante Ergebnisse und bringen uns der Interaktion mit Quantenphänomenen näher", sagt Tatiana Vovk vom Laboratory of Modeling and Design of Nanostructures an der ITMO University.
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