Охлаждение частиц с внутренними степенями свободы

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-42-05002

НазваниеОхлаждение частиц с внутренними степенями свободы

Руководитель Рождественский Юрий Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №58 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (FWF)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые слова левитирующая оптомеханика, оптическое охлаждение, легированный нанокристалл, полупроводниковая квантовая точка, радиочастотная ловушка

Код ГРНТИ29.31.27, 29.19.22, 29.35.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Оптомеханика левитирующих объектов – новое направление научных исследований на стыке квантовой механики и лазерной физики, которое привлекает внимание исследователей уникальными возможностями для изучения мезоскопических систем и создания нового вида измерительных устройств. Основной мезоскопической системой является пространственно локализованный микро- или нанообъект, который может иметь совершенно различную природу: от твердотельных систем, например, нанокристаллов, квантовых точек, наноалмазов, графена и нанотрубок, до сложных органических соединений, таких как белки и вирусы. При этом локализация такого объекта может быть реализована только двумя способами: за счет взаимодействия наведенного полем дипольного момента с оптическим излучением (оптический пинцет, оптическая ловушка для нанообъектов) или за счет взаимодействия заряженной частицы с переменным радиочастотным полем (радиочастотные ловушки). Уникальность такой механической системы - левитирующего мезообъекта (частицы с характерным масштабом 1-1000 нм) состоит в том, что объект слабо взаимодействует со средой и может быть охлажден до трансляционной температуры в несколько милликельвинов. Поэтому такой холодный мезообъект является главным кандидатом для проведения прецизионных измерений, которые представляют как фундаментальный, так и практический интерес. К фундаментальным проблемам относится определение условий, при которых происходит переход от квантового к классическому поведению мезообъекта (редукция волновой функции), проведение тестов на формирование квантовой суперпозиции массивных объектов с помощью гравитации, изучение принципа квантовой суперпозиции и квантового перепутывания двух механических объектов, включая живые объекты. С практической точки зрения интерес обусловлен возможностью создания универсальной платформы для сенсорных технологий следующего поколения. В проекте впервые предлагается экспериментально исследовать пространственную локализацию, селекцию и оптическое охлаждение (внутреннее и трансляционное) в радиочастотных ловушках твердотельных наноструктур – нанокристаллов, отдельных полупроводниковых квантовых точек и их агрегатов. В проекте предлагаются новые оригинальные механизмы трансляционного охлаждения, использование которых повысит эффективность охлаждения мезообъектов. Подчеркнем, что предложенные механизмы охлаждения принципиально отличаются от хорошо известных методов оптического охлаждения, таких как "cavity cooling" и "feedback cooling", поскольку предполагают поглощение мезообъектом резонансных фотонов. В этом случае сам процесс охлаждения происходит за счет управления импульсом отдачи, переданным от фотона частице, и этот импульс уже не ограничивает температуру трансляционного охлаждения, что свойственно "cavity cooling". Поскольку предложенные в проекте механизмы основаны на внутреннем поглощении резонансных фотонов, то в результате такого взаимодействия может быть реализовано и внутреннее охлаждение мезообъекта, а также исследована связь между трансляционным и внутренним охлаждением. Таким образом, целью проекта является экспериментальная реализация полного охлаждения (внутреннего и трансляционного) мезообъекта оптическим излучением, что открывает возможность получения нового состояния вещества – абсолютно холодного квантового нанообъекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рудый С.С., Васильев М.Д., Рыбин В.В., Рождественский Ю.В. Stability problem in 3D multipole ion traps International Journal of Mass Spectrometry, International Journal of Mass Spectrometry, Volume 479, September 2022, 116894 (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijms.2022.116894

2. Рудый С.С., Романова А.В., Рождественский Ю.В., Рыбин В.В. Hysteresis-like phase transitions in quadrupole traps Modern Physics Letters A, Modern Physics Letters A, Vol. 37, No. 23, 2250151 (год публикации - 2022)
10.1142/S0217732322501516

3. Рудый С.С., Рыбин В.В., Щербинин Д.П., Рождественский Ю.В., Костерной И.А. Оптическое возбуждение и контроль расширенных орбит в квадрупольных ловушках Письма в журнал технической физики, Письма в ЖТФ, 2022, том 48, вып. 16 (год публикации - 2022)
10.21883/PJTF.2022.16.53197.19233

4. Рыбин В.В., Иванов А.В., Рождественский Ю.В., Рудый С.С. Geometry Optimization for 3D Octupole Ion Trap Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics, EExPolytech 2022, 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2022, pp. 313-314 (год публикации - 2022)
10.1109/EExPolytech56308.2022.9950834

5. Рудый С.С., Романова А.В., Рождественский Ю.В. Numerical analysis of phase transitions in ion Coulomb crystals Computational Particle Mechanics, Computational Particle Mechanics, 2023 (год публикации - 2023)
10.1007/s40571-023-00625-7

6. Рыбин В.В., Щербинин Д.П., Семынин М.С., Гавенчук А.В., Захаров В.В., Иванов А.В., Рождественский Ю.В., Рудый С.С. Novel nonlinear damping identification method: Simultaneous size, mass, charge and density measurements of a microparticle in quadrupole trap Powder Technology, Powder Technology Volume 427, 1 September 2023, 118717 (год публикации - 2023)
10.1016/j.powtec.2023.118717

7. Щербинин Д.П., Рыбин В.В., Рудый С.С., Дубовик А.Ю., Черевков С.А., Рождественский Ю.В., Иванов А.В. Charged Hybrid Microstructures in Transparent Thin-Film ITO Traps: Localization and Optical Control Surfaces, Surfaces 2023, 6(2), 133-144 (год публикации - 2023)
10.3390/surfaces6020010

8. Щербинин Д.П., Рыбин В.В., Рудый С.С., Рождественский Ю.В., Иванов А.В. Transparent surface radio-frequency trap Proceedings of SPIE, Proc. SPIE 12327, SPIE Future Sensing Technologies 2023, 123271X (22 May 2023) (год публикации - 2023)
10.1117/12.2666318

9. Рыбин В.В., Щербинин Д.П., Рудый С.С., Бабаев А.А., Спиридонов И.Г., Рождественский Ю.В., Иванов А.В. Photoluminescence of quantum dot cluster in quadrupole Paul trap Proceedings of SPIE, Proc. SPIE 12327, SPIE Future Sensing Technologies 2023, 123271U (22 May 2023) (год публикации - 2023)
10.1117/12.2666321

10. Романова А.В., Рудый С.С., Рождественский Ю.В. One-dimensional radial Coulomb crystals in a quadrupole Paul trap Proceedings of SPIE, Proc. SPIE 12606, Optical Manipulation and Structured Materials Conference, 126060K (20 September 2023) (год публикации - 2023)
10.1117/12.3008336

11. Рыбин В.В., Рудый С.С., Рождественский Ю.В. Nano-and microparticle Nonlinear Damping Identification in quadrupole trap International Journal of Non-Linear Mechanics, International Journal of Non-Linear Mechanics, Volume 147, December 2022, 104227 (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijnonlinmec.2022.104227

12. Рыбин В.В., Рудый С.С., Щербинин Д.П., Семынин М.С., Иванов А.В. YAG: Yb3+ levitating polycrystal translational cooling induced by IR radiation Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Proc. SPIE 12151, Photosensitive Materials and their Applications II, 121510H (24 May 2022) (год публикации - 2022)
10.1117/12.2627035

13. Рудый С.С., Рыбин В.В., Семынин М.С., Щербинин Д.П., Рождественский Ю.В., Иванов А.В. Period-doubling bifurcation in surface radio-frequency trap: Transition to chaos through Feigenbaum scenario Chaos, Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, vol. 33, issue 9 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0157397

14. Иванов А.В., Щербинин Д.П., Клименко Д.И., Сердобинцев П.Ю., Мельников А.С., Погода А.П. Лазерно-индуцированная прозрачность в нанопластинках CdSe в условиях оптического эффекта Штарка Квантовая электроника, Иванов А. В. и др. Лазерно-индуцированная прозрачность в нанопластинках CdSe в условиях оптического эффекта Штарка // Квантовая электроника. – 2024. – Т. 54. – №. 1. – С. 23-28. (год публикации - 2024)

15. Рыбин В.В., Рудый С.С., Клименко Д.И., Иванов А.В., Щербинин Д.П. Измерение спектра люминесценции одиночного кластера полупроводниковых нанопластинок в радиочастотной ловушке Оптика и спектроскопия, Рыбин В. В. и др. Измерение спектра люминесценции одиночного кластера полупроводниковых нанопластинок в радиочастотной ловушке // Оптика и спектроскопия. – 2023. – Т. 131. – №. 12. (год публикации - 2023)
10.61011/OS.2023.12.57398.5426-23

16. Рудый С.С., Щербинин Д.П., Иванов А.В. Об особенностях локализации ионов в линейной квадрупольной ловушке с запирающими электродами Динамика систем, механизмов и машин, Рудый С.С., Щербинин Д.П., Иванов А.В. Об особенностях локализации ионов в линейной квадрупольной ловушке с запирающими электродами // Динамика систем, механизмов и машин, – 2023. – Т. 11. – №. 1. – С. 23–28. (год публикации - 2023)
10.25206/2310-9793-2023-11-1-23-28

17. Семынин М.С., Романова А.В., Татаринов Д.А. Исследование фотолюминесценции неорганических нанокристаллов перовскита CsPbBr3, локализованных в линейной квадрупольной электродинамической ловушке Оптический журнал, Исследование фотолюминесценции неорганических нанокристаллов перовскита СзРЬВгз, локализованных в электродинамической ловушке // Оптический журнал, - 2025г., Т.92., №4 (год публикации - 2025)

18. Иванов А.В., Щербинин Д.П., Клименко Д.И., Сердобинцев П.Ю., Мельников А.С., Погода А.П. Laser-Induced Transparency in CdSe Nanoplatelets under Conditions of the Optical Stark Effect Bulletin of the Lebedev Physics Institute, Ivanov, A., Shcherbinin, D., Klimenko, D. et al. Laser-Induced Transparency in CdSe Nanoplatelets under Conditions of the Optical Stark Effect. Bull. Lebedev Phys. Inst. 51 (Suppl 4), S290–S296 (2024). (год публикации - 2024)
10.3103/S1068335624601328

19. Рудый С.С., Щербинин Д.П., Рыбин В.В., Иванов А.В. Hoeffding's independence test for an ion dynamics characterization in the octupole trap Journal of Physics: Conference Series, Rudyi S. et al. Hoeffding’s independence test for an ion dynamics characterization in the octupole trap //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2024. – Т. 2680. – №. 1. – С. 012042. (год публикации - 2024)
10.1088/1742-6596/2680/1/012042

20. Щербинин Д.П., Сидельников В.О., Рудый С.С., Рыбин В.В., Иванов А.В. Fluorescent contactless method for temperature determination of YAl3(BO3)4 crystals doped with Yb3+ ions Journal of Physics: Conference Series, Shcherbinin D. et al. Fluorescent contactless method for temperature determination of YAl3 (BO3) 4 crystals doped with Yb3+ ions //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2024. – Т. 2680. – №. 1. – С. 012041. (год публикации - 2024)
10.1088/1742-6596/2680/1/012041

21. Соболева Е.В., Щербинин Д.П., Рудый С.С., Иванов А.В. Оптическая стабилизация заряженных диэлектрических наночастиц в гибридных ловушках Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, Соболева Е.В. и др. Оптическая стабилизация заряженных диэлектрических наночастиц в гибридных ловушках // ЖЭТФ, - 2024, Т. 166, вып. 4(10), С. 527 - 534. (год публикации - 2024)
10.31857/S0044451024100092

22. Щербинин Д.П., Рудый С.С., Рыбин В.В., Иванов А.В. Контролируемая бистабильность заряженных частиц в поверхностных ионных ловушках Динамика систем, механизмов и машин, Щербинин Д.П., Рудый С.С., Рыбин В.В., Иванов А.В. Контролируемая бистабильность заряженных частиц в поверхностных ионных ловушках // Динамика систем, механизмов и машин, – 2023. – Т. 11. – №. 1. – С. 23–28. (год публикации - 2023)
10.25206/2310-9793-2023-11-1-37-43

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Проведён синтез полупроводниковых наноструктур различного химического состава и характерного размера для реализации экспериментальных исследований. Будут получены коллоидные растворы квантовых точек типа ядро-оболочка CdSe/ZnS, трехкомпонентных полупроводниковые наноструктуры AgInS, нанокристаллов перовскитов CsPbX3 (X = Cl, Br, I) и субмикронных кубических кристаллов перовскитов CsPbX3. 2. Проведена характеризация ансамблей синтезированных частиц методами абсорбционной спектроскопии в диапазоне длин волн 190 -1100 нм. 3. Произведена характеризация полученных ансамблей частиц методами оптической и/или электронной микроскопии в зависимости от ожидаемого размера частиц. 4. Проведено исследование спектров фотолюминесценции синтезированных частиц осаждённых на стеклянную подложку при температурах 200-400К. 5. Выполнена подготовка гибридных структур на основе синтезированных наночастиц и пористых матриц диоксида кремния с размерами 500 нм - 2 мкм. 6. Проведена характеризация гибридных структур пористых матриц диоксида кремния и полупроводниковых наночастиц методами оптической микроскопии и люминесцентной спектроскопии. 7. Выполнена отработка методов доставки агрегатов исследуемых полупроводниковых наночастиц, субмикронных частиц и микроразмерных гибридных структур в рабочую область электродинамических ловушек при локализации в условиях вязкого трения и в условиях вакуума. Для отработки будут использоваться методы Paper-Spray (ESI), ударная десорбция, лазерная акустическая десорбция (LIAD). Будут определён оптимальный метод доставки для различных объектов исследования. 8. Проведено исследование динамики наночастиц, субмикронных полупроводниковых частиц и гибридных структур в электродинамических ловушках в зависимости от геометрии и параметров питания электродов ловушки в условиях вязкого трения и в условиях вакуума. 9. Произведена апробация методов измерения спектров люминесценции агрегатов наночастиц, субмикронных полупроводниковых частиц и гибридных структур локализованных в электродинамических ловушках. 10. Выполнено численное моделирование динамики отдельный наночастиц исследуемых образцов, их агрегатов, субмикронных частиц и микроразмерных гибридных структур в зависимости от параметров электропитания и геометрии ловушки, начальных условий, для консервативного и диссипативного случаев. 11. Проведено моделирование динамики отдельных наночастиц исследуемых материалов, их агрегатов, субмикронных частиц и микро размерных гибридных структур в зависимости от параметров внешнего лазерного воздействия - длины волны, плотности мощности, длительности импульсов и скважности. Будут определены условия, при которых возможно эффективное уменьшение кинетической энергии левитирующих объектов. Будет определена минимально достижимая средняя кинетическая энергия за период осцилляций переменного поля для левитирующих заряженных частиц в ловушке. 12. Проведено моделирование процессов охлаждения и нагрева исследуемых полупроводниковых наночастиц, их агрегатов, субмикронных частиц и микро размерных гибридных структур в зависимости от условий возбуждений люминесценции - отстройки длины волны возбуждения от полос поглощения исследуемых материалов, плотности мощности, времени экспозиции. 13. Выполнен анализ результатов измерений оптических свойств объектов исследования, особенностей условий доставки, динамики и результатов полученных в результате численного моделирования процессов трансляционного и внутреннего охлаждения. 14. Выполнено экспериментальное исследование динамики заряженных полупроводниковых частиц, локализованных в электродинамических ловушках Пауля при воздействии лазерного излучения. Будет проведено исследование средней кинетической энергии за период осцилляции поля в зависимости от параметров удерживающего электрического поля, параметров среды локализации и параметров оптического воздействия. 15. Выполнено экспериментальное исследование эволюции спектров люминесценции заряженных полупроводниковых частиц, локализованных в электродинамических ловушках Пауля при изменении параметров фото возбуждающего излучения - длины волны, плотности мощности, времени экспозиции.

Публикации