Волны вероятности можно использовать в качестве «притягивающего» луча для управления нанообъектами

О притягивающих  лучах (англ. tractor beams) впервые заговорили еще два столетия назад в научной фантастике: под ними понимался поток излучения, который может передвигать и поднимать различные объекты. Например, тянущий луч часто ассоциируется с инопланетянами, которые с его помощью втягивают на борт своих «летающих тарелок» различные объекты с Земли. Идея, казавшаяся нереальной десятилетия тому назад, стала возможной: ученые по всему миру изобретают разные способы перемещения предметов. Правда, пока реальные тянущие пучки позволяют передвигать лишь наночастицы. Международная исследовательская группа, в состав которой вошел ученый из Университета ИТМО, внесла свою лепту в этот процесс и доказала, что «притягивающими» свойствами обладают и дебройлевские волны (волны вероятности), которые в квантовой механике описывают поток частиц. 

Какие исследования в области притягивающего луча уже были

В 2011 году физики сразу двух научных групп доказали возможность перемещать микроскопические объекты в сторону, противоположную направлению лазерного излучения с помощью световых пучков Бесселя. За счет особых свойств пучка Бесселя кванты света (фотоны) этого пучка могут рассеиваться преимущественно вперед, то есть в направлении движения самого пучка. Таким образом, возникает сила, действующая со стороны фотонов на объект, направленная внутрь пучка. Иными словами, объект будет «притягиваться» к источнику луча. Настройка оборудования для проведения такого эксперимента должна быть очень точной, поэтому позднее другие научные группы стали использовать два или больше пучков Бесселя.

Оказывается, что тянущий луч можно реализовать не только на основе света. В 2014 году ученые из Австралийского национального университета и Университета Пенсильвании заставили объекты на поверхности воды двигаться не вдоль направления волны, а против нее. Достичь этого удалось с помощью специального устройства, которое генерирует 3D-волны, которые, в свою очередь, создают мини-вихри на поверхности. Эти вихри могут захватить объект и заставить его двигаться по направлению к источнику волн. Также можно удерживать предмет на месте или отталкивать его.

В том же году та же австралийско-американская команда смогла манипулировать частицей диаметром одна пятая миллиметра с помощью лазерного луча на расстоянии в 20 сантиметров. Чтобы сделать это, ученые стали нагревать пространство вокруг частицы с разных сторон. В результате частица была «захвачена» в «темный» коридор лазера. Управляя точками нагрева с помощью изменения поляризации лазера, исследователи могли двигать объект в любом направлении. Они также заявили, что технология будет работать практически на любых расстояниях,из-за малой расходимости лазерного пучка.

В 2015 году появилась публикация британских ученых о создании акустических притягивающих пучков волн. Возможность заставлять объекты левитировать с помощью звуковых волн была уже открыта ранее, но здесь был предложен способ манипулировать объектом при помощи единственного акустического луча. Ученые использовали 64 микродинамика, которые создавали ультразвуковые волны высокой интенсивности и с разными параметрами сигнала. Благодаря управлению этими сигналами удалось заставить четырехмиллиметровый шарик перемещаться в звуковом луче в разные стороны, в том числе, притягиваться к источнику луча.

Отметим, что вклад в тематику тянущих оптических сил был внесен и командой ученых Университета ИТМО: в 2016 году ими была исследована тянущая сила, действующая на наночастицу вблизи металлической поверхности, причем возникновение тянущей силы было связано с возбуждением поверхностных волн на металлической поверхности.

Что сделала международная исследовательская команда, в которую вошел ученый Университета ИТМО

Ученые доказали, что похожими «притягивающими» свойствами обладают и дебройлевские волны (волны вероятности), которые в квантовой механике описывают поток частиц (matter wave). Согласно квантовой механике, любые частицы обладают волновыми свойствами. Ярким проявлением волновых свойств материи является знаменитый пример Фейнмана с дифракцией одного электрона на двух щелях сразу, недавно исследованный в реальном эксперименте.

В команду ученых, которые обнаружили «притягивающие» свойства таких волн, вошли студент Белорусского государственного университета Алексей Горлач, сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Максим Горлач, сотрудники Датского технического университета Андрей Лавриненко и Андрей Новицкий. Ученые проанализировали влияние на «притягивающие» свойства волн вероятности нескольких параметров самой волны, а также особенности такого взаимодействия между лучом и управляемым объектом. Группа обнаружила, что есть широкий диапазон параметров волны, при которых она может притягивать объекты к источнику излучения.

Алексей Горлач
Алексей Горлач

«Чтобы пучок притягивал частицу, пучок Бесселя должен иметь подходящие параметры (угол раствора около 600 и выше), а частицы в пучке должны быть достаточно медленными, с кинетической энергией от нескольких тысячных электрон-вольта (эВ) до нескольких электрон-вольт. Такой тянущий пучок позволяет в принципе манипулировать атомами с массами от единиц до сотен атомных единиц массы. В отличие от оптических тянущих лучей волны вероятности дают возможность управлять намного более мелкими объектами. Предыдущие исследования показывали, что тянущая сила возможна для пучков волн самой разной природы: от акустических до электромагнитных волн. Но, как известно из квантовой механики, пучок частиц – это тоже волна. Значит, можно ожидать возникновения тянущей силы и для волн вероятности. Разумеется, чтобы подтвердить эту мысль, нужно было провести расчеты, выяснить условия возникновения тянущей силы и оценить порядок эффекта», – прокомментировал Алексей Горлач.

При этом авторы статьи подчеркивают, что вероятностный характер волн никак не влияет на свойства волны притягивать объекты. Так как волны вероятности могут вести себя и как частицы, и как волны в классическом понимании, к ним неприменимы законы классической физики частиц и волн. В квантовой физике доказывается, что к такой частице (или волне) нельзя применять понятие траектории, но можно сказать, что частица находится в данном объеме пространства с некоторой вероятностью. Как же ученые определили, как именно управлять волной, чтобы притягивать объекты?

«Величины, которые можно наблюдать в реальном эксперименте (в том числе и тянущая сила, действующая со стороны пучка на исследуемую частицу), представляют, с точки зрения теории, средние значения квантовомеханических операторов. Эти средние значения определяются однозначно, что и позволяет говорить о тянущих или отталкивающих силах. Эту мысль можно проиллюстрировать на простом примере из другой области: измеряя освещенность в комнате, мы регистрируем на самом деле среднее значение квадрата электрического поля. При этом наш прибор никак не регистрирует того, что электрическое поле осциллирует в данной точке с частотой в сотни терагерц», – пояснил Максим Горлач.

Идея использования волн вероятности для манипулирования нанообъектами, впервые высказанная авторами, позволит в будущем управлять атомами и атомными кластерами с точностью, многократно превосходящей возможности оптического пинцета. Добавим, что исследование авторов, опубликованное в авторитетном физическом журнале Physical Review Letters, уже привлекло к себе внимание научной общественности и было отмечено редакцией журнала в категориях Editors Suggestion и Featured in Physics.

Статья: Alexey A. Gorlach, Maxim A. Gorlach, Andrei V. Lavrinenko, and Andrey Novitsky (2017), Matter-Wave Tractor Beams, Physical Review Letters.

 

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба