Британские физики создали устройство, которое позволяет захватывать произвольные заряженные и нейтральные молекулы и атомы и разгонять их до крайне высоких скоростей, что позволяет использовать такие ускорители для изучения свойств антиматерии и других «хрупких» частиц, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.

На сегодняшний день существует множество методов разгона элементарных частиц, ионов и отдельных молекул. Как правило, ускорение в этих устройствах происходит благодаря взаимодействию заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. В частности, к числу таких ускорителей относятся ныне отключенный Тэватрон и Большой адронный коллайдер. Принцип работы подобных устройств не позволяет ускорять им нейтральные частицы и задавать точную скорость движения частиц.

Группа физиков под руководством Питера Баркера (Peter Barker) из университетского колледжа Лондона (Великобритания) разработала технологию, лишенную этих недостатков, изучая свойства лазеров с линейной модуляцией частоты (CHIRP).

В отличие от обычных лазеров, частота излучения которых остается относительно постоянной на протяжении всего времени его работы, CHIRP-излучатель постепенно наращивает ее. Это свойство, в комбинации с технологиями «растягивания» и «сжатия» импульсов, обычно используется для получения очень мощных и коротких вспышек лазерного излучения.

Баркер и его коллеги использовали два таких лазера для манипуляции атомами, молекулами или частицами, которые были захвачены обычной магнито-оптической ловушкой.

«Катапульта» авторов работы устроена следующим образом: она состоит из ловушки, двух лазеров-ускорителей, ионизатора и высокоскоростной камеры, фиксирующей скорость и положение частиц при ускорении.

Лазерные излучатели направлены по отношению друг к другу таким образом, что их лучи пересекаются под углом 172 градуса в центре оптической ловушки. Во время работы устройства ускоряющие лучи испускаются не одновременно, а с задержкой в 275 наносекунд.

Как объясняют ученые, такая задержка необходима для того, чтобы частицы вылетели из ловушки примерно в одном направлении и с одинаковой скоростью.

Ученые проверили работу своей «катапульты», ускоряя атомы благородного газа аргона и фиксируя разброс в скоростях и положении частиц. По словам Баркера и его коллег,

их изобретение позволяет ускорять атомы и молекулы до скорости в 190 метров в секунду, что в три-четыре раза больше, чем удавалось достичь при помощи других оптических технологий «разгона» частиц. Дальнейшее улучшение технологии позволит достичь трехкратного увеличения скорости.

В отличие от гигантских магнито-электронных ускорителей, изобретение физиков разгоняет частицы за считанные мгновения – несколько десятков миллисекунд. Максимум скорости достигается уже на расстоянии в 10–20 микрометров от ловушки. По словам исследователей, данная технология позволяет разгонять нейтральные или нестабильные частицы, которые нельзя ускорить при помощи других методов «разгона».