Исследователи из ИТМО изучили динамику одиночной микрочастицы в состоянии левитации и выявили оптимальное положение, при котором она становится чрезвычайно восприимчивой к малейшим внешним воздействиям. Этот эффект может стать основой для создания высокочувствительного универсального сенсора, способного точно и быстро измерять вектор силы тяжести, ускорения и угловые моменты, а также малые силы. Полученные данные могут найти применение в геологоразведке, оценке сейсмоактивности, а также в определении местоположения судов и других транспортных средств.
Левитирующие оптомеханические системы представляют собой устройства, позволяющие исследовать одиночные нано- или микрочастицы изолированно от внешних механических воздействий. Частицы удерживаются в воздухе, что позволяет ученым проводить высокоточные измерения силы, крутящего момента и ускорения, а также изучать фундаментальные законы физики, такие как квантовые состояния и нелинейные процессы.
Нано- и микрочастицы обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям, что полезно для датчиков, таких как детекторы гравитационных волн. В промышленности применяются компактные акселерометры на основе левитирующих систем. При переходе к микрочастицам вступают в силу нелинейные процессы, усиливающие отклик на слабые воздействия. Это приводит к неустойчивому равновесию и фазовым переходам. Ученые обычно изучают динамику крупных частиц в вакууме, избегая сложных нелинейных эффектов. Однако исследователи ИТМО изучают эти эффекты для создания более чувствительных сенсоров.
Исследователи ИТМО изучили нелинейную динамику микрочастицы в квадрупольной ловушке и выделили два режима движения: линейный (малые колебания) и нелинейный (ромбовидная траектория). В новом исследовании они впервые исследовали фазовый переход между этими режимами и нашли оптимальное состояние. В этом состоянии частица становится крайне чувствительной к малым внешним возмущениям.
Исследователи изучили поведение левитирующей микросферы диоксида кремния на границе этого перехода. Они выявили четыре динамических состояния и установили, что микрообъект наиболее чувствителен вблизи перехода, так как его движение становится неустойчивым и резонансным. Малейшее внешнее воздействие, например, лазерное излучение, может перевести систему в нелинейный режим. Это существенно влияет на амплитуду движения и спектр частот.
Исследователи ИТМО выяснили, что микрочастицы сферической формы с электрическим зарядом можно настроить на фазовый переход для повышения чувствительности. Это позволяет измерять любые внешние воздействия, такие как электрические, магнитные, оптические и гравитационные поля. На основе этого эффекта можно создать универсальный сенсор для точной геологоразведки, определения сейсмоактивности и навигации в сложных условиях, например, в Арктике. Сейчас физики ИТМО продемонстрировали фазовый переход в эксперименте и планируют разработать математическую модель для предсказания и описания эффектов, а также создания сенсора для калибровки измерительных приборов.
Источник: naked-science.ru
распечатать статью
