Группа исследователей из США и Германии построила ионную ловушку, на базе которой можно создать высокочувствительный измерительный наконечник или устройство для перемещения отдельных фотонов.

Внешний вид ловушки;
отдельные ионы удерживаются над расположенными
в центре цилиндрами (фото Роберта Майвалда)

При конструировании новой ловушки инженеры использовали стандартные методики лазерного охлаждения ионов и удержания их с помощью электромагнитного поля. В обычных ловушках, однако, ионы окружаются удерживающими электродами, а в рассматриваемом устройстве частицы располагаются над вертикально расположенным наконечником, который образован стальными электродами; такая «открытая» геометрия предоставляет специалистам свободный доступ к захваченному иону.

Исследователи построили несколько модификаций ловушки и проанализировали их свойства на примере ионов магния. Как оказалось, при использовании иона в качестве датчика усилия он оказывается приблизительно в миллион раз чувствительнее, чем стандартный кантилевер атомно-силового микроскопа (масса иона меньше, и он лучше воспринимает слабые воздействия). Кроме того, ион более универсален, чем нейтральные атомы и квантовые точки, поскольку он способен улавливать влияние и электрического, и магнитного полей. Наилучшие показатели чувствительности ион продемонстрировал при регистрации воздействия электрического поля, осциллирующего с частотой от 100 кГц до 10 МГц; по оценкам авторов, такой датчик способен зафиксировать усилие в 1 иН•Гц^-1/2 (1•10^-24 Н•Гц^-1/2).

Ученые также показали, что при установке ловушки в фокусе параболического зеркала можно создать такие условия, что отдельные фотоны будут перемещаться от оптоволокна к иону, причем надежность такого способа передачи фотонов составляет около 95%; разработка эффективных «средств связи» оптоволокна и атома, как отмечают авторы, имеет большое значение для развития квантовой криптографии.

Отметим, что около трех месяцев назад инженеры из Национального института стандартов и технологий (США), принимавшие участие в исследовании, представили другую модель ловушки, которая позволяла перемещать ионы в пространстве с минимальными изменениями их кинетической энергии и сохранением заданного квантового состояния.

Полная версия отчета ученых будет опубликована в журнале Nature Physics.