Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках настоящего проекта были разработаны и спроектированы две экспериментальных схемы для оценки эффективности метода десорбции (LIAD) со стеклянной, металлической и полимерных подложек. Разработан метод автоматического детектирования агрегатов квантовых точек с применением методов машинного зрения (Рисунок 2.2а Приложения). Экспериментально определены зависимости эффективности десорбции от длины волны, энергии импульса лазерного излучения. Получено, что эффективная лазерно-индуцированная акустическая десорбция агрегатов квантовых точек CdSe/ZnS и агрегатов ZnS наблюдается только с металлических подложек (Рисунок 2.1 Приложения) для длин волн 535 и 1064 нм для энергии импульса лазерного излучения более 160 мДж. Экспериментально определено количество агрегатов квантовых точек за цикл десорбции – порядка 10-50 агрегатов. Получена аналитическая аппроксимация зависимости количества десорбированных агрегатов CdSe/ZnS от энергии импульса лезерного излучения. Спроектирована линейная квадрупольная электродинамическая ловушка для заряженых агрегатов квантовых точек CdSe/ZnS с возможностью варьирования амплитуды напряжения на электродах в диапазоне 0 – 7000 В при частоте переменного напряжения 25 – 1000 Гц. Подобраны параметры работы ловушки, при которой локализация наиболее эффективна. Параметры процесса локализации: частота переменного напряжения 50/100/200 Hz, амплитуда переменного напряжения – 2000 – 6000 В. Спроектирована схема экспериментальной установки для обеспечения десорбции и инжекции агрегатов квантовых точек. Достигнута десорбция и последующая локализация заряженных агрегатов квантовых точек с формированием кулоновских структур в рабочей области ловушки. Определены зависимости эффективности загрузки (отношения количества инжектированных агрегатов к количеству десорбированых агрегатов, %) от энергии импульса лазерного излучения. Получено, что инжекция наблюдалась при энергиях импульса более 200 мДж для длины волны 1064 нм, для длин волн 532 нм инжекция не наблюдалась. Было получено, что эффективность загрузки с увеличением энергии импульса более 200 мДж сохраняется в диапазоне 14-15%. Произведено численное моделирование эффективности загрузки для схемы, показанной на Рисунке 2.1б Приложения. Были оценены соотношения заряда к массе агрегатов и характерные размеры по известному соотношению эффективности локализации и аналитической аппроксимации зависимости количества десорбированных агрегатов CdSe/ZnS от энергии импульса. Показано, что эффективность загрузки повышается с увеличением давления буферного газа, при этом значение амплитуды переменного напряжения, характеризующее максимальную эффективно локализации, уменьшается. Отмечено, что с увеличением давления необходимо учитывать нелинейные эффекты диссипации при трении буферного газа. Описан принцип формирования расширенных орбит в линейных квадрупольных ловушках при локализации в условиях нелинейной диссипации [Rybin V., Rudyi S., Rozhdestvensky Y. Nano-and microparticle Nonlinear Damping Identification in quadrupole trap //International Journal of Non-Linear Mechanics. – 2022. – Т. 147. – С. 104227]. Предложена концепция пространственной селекции заряженных объектов в ловушках, характеризующихся множественными потенциальными минимумами эффективного потенциала. Определены зависимости пространственного положения потенциальных минимумов эффективного потенциала в зависимости от параметров системы и физических характеристик заряженного объекта. Получено, что трёхмерные октупольные ионные ловушки (3DOIT) могут обладать до 8/16 изолированных локальных минимумов эффективного потенциала. Определены параметры локализации и произведён численный расчёт динамики агрегатов квантовых точек CdSe/ZnS при локализации 3DOIT. Получены масс-селективные характеристики трёхмерной октупольной ионной ловушки (3DOIT) при локализации отдельных квантовых точек CdSe/ZnS. Показана высокая чувствительность положения агрегата квантовых точек к заряду агрегата. Оценка показала смещение агрегата квантовых точек CdSe/ZnS на 1,2 мм при изменении общего заряда на один элементарный заряд. Продемонстрировано смещение агрегата квантовых точек при уменьшении массы агрегата вследствие прямого воздействия лазерного излучения. При мощности излучения, недостаточного для осуществления фрагментации агрегатов квантовых, влияние лазерного УФ излучения может приводить к хаотизации динамики через сценарий Фейгенбаума [С.С. Рудый, В.В. Рыбин, Д.П. Щербинин, Ю.В. Рождественский, И.А. Костерной, Оптическое возбуждение и контроль расширенных орбит в квадрупольных ловушках // Письма в журнал технической физики, том 48, вып. 16, с. 3 - 6, 2022.] Дополнительно, была разработана концепция одновременного, раздельного и недеструктивного определения параметров локализованных объектов через анализ расширенных орбит в квадрупольной линейной ловушке [Rybin V., Rudyi S., Rozhdestvensky Y. Nano-and microparticle Nonlinear Damping Identification in quadrupole trap //International Journal of Non-Linear Mechanics. – 2022. – Т. 147. – С. 104227]. Было показано, что форма орбиты однозначно определяется через параметры ловушки и характеристики заряженных объектов и описывается АЧХ-метриками. Рассчитаны диаграммы метрик расширенных орбит в параметрах напряжения на электродах ловушки – параметр диссипации. Был определён диапазон размеров заряженных частиц, для которых предложенный метод релевантен – от 100 нм до 100 мкм. Разработан алгоритм определения массы, заряда, размера и плотности заряженного объекта через измерение характеристик-метрик расширенных орбит по двум значениям напряжений на электродах ловушки. Произведена апробация предложенного метода, погрешность метода для частиц известной плотности составила порядка 3% при локализации в атмосфере. Спроектирована экспериментальная схема для детектирования спектров люминесценции агрегатов квантовых точек CdSe/ZnS в линейной квадрупольной ионной ловушке. В результате, впервые был экспериментально зарегистрирован спектр люминесценции одиночного агрегата квантовых точек CdSe/ZnS в электродинамической ловушке.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках проекта был произведён синтез образцов микро- и нано-частиц алюмоиттриевого граната и оксида иттрия активированных ионами иттербия. Подготовлены протоколы синтеза. Размер частиц синтезированных порошков оксида гадолиния лежит в диапазоне 30-40 нм, алюмоиттриевого граната - в диапазоне 20-25 нм. Определены положения полос поглощения матрицы и оптических переходов на ионах Yb. Получены микроскопические изображения исследуемых частиц; подготовлены протоколы экспериментальных исследований. Определён средний размер частиц в ансамблях и разброс по их размерам в зависимости от параметров синтеза частиц. Произведены люминесцентные исследование ансамблей частиц, осаждённых на стеклянную подложку. Измерены спектры люминесценции частиц в ближней ИК области в диапазоне температур 100-300К. Построены градировочные зависимости для определения температуры частиц бесконтактными спектрально-люминесцентными методами. Проведена численная симуляция динамики заряженных частиц различных с различным отношением заряда к массе в электродинамической ловушке при различной геометрии, параметрах питания и начальных условий инжекции. Впервые обнаружен и аналитически описан процесс хаотизации динамики заряженных частиц в поверхностной ловушке через каскад удвоений периода в соответствии со сценарием Фейгенбаума [Rudyi S. S. et al. Period-doubling bifurcation in surface radio-frequency trap: Transition to chaos through Feigenbaum scenario //Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. – 2023. – Т. 33. – №. 9]. Проведено численное моделировании динамики в ITO-ловушке, обнаружен эффект бистабильной и представлен метод оптической контроля бистабильности [Shcherbinin D. et al. Charged Hybrid Microstructures in Transparent Thin-Film ITO Traps: Localization and Optical Control //Surfaces. – 2023. – Т. 6. – №. 2. – С. 133-144, Shcherbinin D. P. et al. Transparent surface radio-frequency trap //SPIE Future Sensing Technologies 2023. – SPIE, 2023. – Т. 12327. – С. 359-363]. Проведена численная симуляция ансамблей частиц, разработан метод описания фазовых переходов в кулоновских кристаллах. Обнаружен и впервые описан новый тип одномерных кулоновских кристаллов (1D-Overcompressed crystals) [Romanova A. V., Rudyi S. S., Rozhdestvensky Y. V. One-dimensional radial Coulomb crystals in a quadrupole Paul trap //Optical Manipulation and Structured Materials Conference. – SPIE, 2023. – Т. 12606. – С. 62-68, Rudyi S. S., Romanova A. V., Rozhdestvensky Y. V. Numerical analysis of phase transitions in ion Coulomb crystals //Computational Particle Mechanics. – 2023. – С. 1-9]. Разработан и реализован метод исследования заряженных частиц, основанный на анализе нелинейной динамики в линейной квадрупольной ловушке Пауля с запирающим электродом при локализации в условиях нелинейного демпфирования (NDI-метод) [Rybin V. et al. Novel nonlinear damping identification method: Simultaneous size, mass, charge and density measurements of a microparticle in quadrupole trap //Powder Technology. – 2023. – С. 118717]. Определены характеристики локализованных частиц в зависимости от условий синтеза, начальных условий инжекции при различных параметрах питания и геометрии электродов ловушки. Исследована люминесценция одиночных частиц, локализованных в радиочастотных ловушках. Обнаружено дополнительное смещение агрегатов в ловушках связано с DC штарк эффектом, появляющимся из-за наличия некомпенсированного заряда на поверхности локализованных агрегатов [Rybin V. V. et al. Photoluminescence of quantum dot cluster in quadrupole Paul trap //SPIE Future Sensing Technologies 2023. – SPIE, 2023. – Т. 12327. – С. 339-342.]. Разработан метод оценки температуры локализованных в радиочастотных ловушках частиц по форме спектров их люминесценции на основе градировочных зависимостей, полученных в п.5 настоящего плана, [The 12th Global Conference on Materials Science and Engineering (CMSE 2023), доклад "Fluorescent Contactless Method for Temperature Determination of YAl3(BO3)4 Crystals Doped with Yb3+ Ions" (Щербинин Д.П.)] Произведена оценка внутренней температуры локализованных в радиочастотных ловушках частиц при воздействии на них внешнего излучения с частотой меньшей частоты оптического перехода на ионах Yb. Произведены оценки оптимальные параметры частиц, условий их доставки, локализации и оптического возбуждения при котором наблюдается эффективное изменение их внутренней температуры. Показано, что возможность оптического охлаждения кристаллических частиц, легированных иттербием, существенным образом зависит от отсутствия паразитных примесей. Получен амплитудно-частотных спектр трансляционного движения с помощью Фурье-преобразования динамики исследуемых частиц в зависимости от условий локализации и внешнего оптического воздействия для легированных иттербием образцов Ga2O3:Yb2 и YAG:Gb3. Подготовлены протоколы экспериментальных исследований. Обнаружена зависимость частотного состава трансляционных колебаний в зависимости от условий локализации и внешнего оптического воздействия. Определены зависимости средней кинетической энергии локализованных частиц от параметров внешнего оптического излучения. Обнаружено и описано два механизма уменьшения кинетической энергии, реализующихся при различных динамических режимах колебаний частицы в ловушке. По результатам проекта в отчётном году было опубликовано 7 работ, индексируемых в международных базах WoS/Sсopus, из низ 3 - статьи первого квартиля (Q1). Результаты исследований получили широкую огласку в СМИ, в т.ч. в изданиях: - Коммерсант (https://www.kommersant.ru/doc/6321681) - Наука.рф (https://xn--80aa3ak5a.xn--p1ai/news/lazernyy-bilyard-razrabotali-fiziki-itmo-/) - Научная Россия (https://scientificrussia.ru/articles/haoticnyj-beg-castic-rasskazet-ob-ih-svojstvah) - Indicator (https://indicator.ru/physics/chetyre-v-odnom-elektrodinamicheskaya-lovushka-pozvolit-nezavisimo-i-nerazrushayushim-sposobom-izmerit-massu-razmer-zaryad-i-plotnost-odinochnykh-chastic-17-07-2023.htm) По материалам исследований были проведены научно-популярные лекции, в т.ч. открытая лекция на площадке Планетарий-1 (г. Санкт-Петербург), https://naked-science.ru/events/prakt-levitatsii.