Ионные ловушки — это устройства, задающие электрическое поле определенной конфигурации. В таком поле можно локализовать заряженные микрочастицы, заставив их «левитировать», 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 международного научно-образовательного центра физики наноструктур Дмитрий Щербинин.
Дмитрий Щербинин. Фото: ITMO.NEWS
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.
Статья: 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.
