Что это?Фотография ионной ловушки, внутри которой пойман заметный
невооруженным глазом атом стронция. Этот снимок принес Дэвиду
Надлингеру, аспиранту Оксфорда, победу в конкурсе научной
фотографии, проведенном Советом по инженерным и физическим наукам
Великобритании в 2018 году.В ловушке находится положительно
заряженный ион атом, часть электронов которого под воздействием
внешнего источника энергии покинули свою орбиту.Снимок сделан с
помощью обычной камеры и нескольких дополнительных аксессуаров
вспышек со светофильтрами и удлинительных колец для макросъемки.
Ион, безусловно, слишком мал, чтобы запечатлеть его на фото, однако
мы видим отраженный от него свет лазера, который и фиксируется
камерой [1].Чем это интересно для науки?Сегодня ловушки для ионов и
других частиц повсеместно распространены. Большинство из них
основано на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитным
полем высокой частоты, позволяющим управлять их положением в
пространстве. При захвате частиц физики стремятся уменьшить их
энергию для более точного измерения характеристик [2].Ионные
ловушки могут взаимодействовать исключительно с заряженными
частицами. Однако существуют типы устройств, позволяющие обходить
это ограничение. Внутри атома также существует некоторое
распределение заряда, называемое дипольным моментом. И если
учитывать эту величину и воздействовать на атом переменным
электромагнитным полем, то и эту нейтральную частицу можно
зафиксировать в пространстве. Этот принцип используется в
магнитно-оптических ловушках [3].Частицы можно захватывать в
ловушки не только поштучно, но и целыми группами. Так,
исследователи из Университета Калифорнии провели эксперимент по
изучению влияния облака холодных атомов на более теплые [4].А
команда ученых из Российского квантового центра в Нижнем Новгороде
в ближайшее время с помощью ловушки для газа атомов планирует
осуществить охлаждение более миллиона атомов газа до температуры
ниже 0,5 нанокельвинов.Почему это важно знать?Ионные ловушки
активно применяются для масс-спектрометрии метода анализа вещества,
позволяющего определить его молекулярную массу, молекулярную
формулу и состав. Под влиянием электромагнитного поля движение
ионов отклоняется от прямолинейного, на основе чего физики и делают
выводы о составе частицы. Этот метод постоянно совершенствуется, и
недавно ученые открыли возможность напрямую измерять массу
отдельных молекул [5].У ловушек для частиц есть и более прикладные
сферы использования. Так, они могут использоваться для фильтрации
воздуха на производствах, где наблюдаются выбросы различных частиц:
в машиностроении, химической и ядерной промышленности. Кроме того,
ионные ловушки это ключевой компонент квантовых компьютеров, в
которых в качестве кубитов выступают отдельные ионы.