Группа физиков разработала способ управления движением заряженных частиц с помощью точек Лагранжа. Для этого они использовали электростатическое поле, по форме напоминающее спираль. Метод может направлять как нерелятивистские, так и релятивистские ионы, протоны и электроны в вакууме. Потери энергии при этом незначительны по сравнению с начальной энергией частиц. Статья опубликована в Nature Communications.
С тех пор как открыли электрон, ученые постоянно искали способы управлять движением заряженных частиц. Сегодня для этого применяют электростатические или магнитные ловушки, а также квадрупольные поля. Например, БАК использует сотни сверхпроводящих магнитов для периодического управления и фокусировки протонов на протяжении всего их пути в ускорителе, но это дорого и технически сложно.
Сделать жизнь ученых проще можно было бы за счет создания волновода для перемещения электронов подобно тому, как фотоны путешествуют в оптоволокне. Однако скорость движения электронов в веществе ограничена значением порядка 106 метров в секунду. На помощь мог бы прийти вакуум, но теорема Ирншоу запрещает устойчивый захват заряженных объектов исключительно электростатическим полем.
Исследователям из Южно-Калифорнийского университета во главе с Мерцедех Кхайавикхан (Mercedeh Khajavikhan) удалось придумать волновод для движения заряженных частиц в вакууме. Оказалось, что электростатическое поле, закрученное в спираль, создает точку Лагранжа, которая захватывает электроны и заставляет их лететь в нужном направлении. Устойчивое положение частиц в точке Лагранжа обеспечивается за счет силы Кориолиса. Чтобы понять, каким будет движение заряженной частицы в этом случае, ученые смоделировали волновод, численно решив уравнение Шрёдингера для электрона вдоль оси z в подвижной системе координат.
Картина распространения основного состояния электрона в волноводе, полученная численным решением уравнения Шредингера (энергия электрона 30 килоэлектронвольт)
На основе этого моделирования физики предложили концепцию экспериментальной установки, в которой заряженные частицы путешествуют подобно фотонам в оптоволокне. В центре экспериментальной установки под напряжением находится металлическая проволока, закрученная в спираль, а снаружи расположена заземляющая трубка. Электроны поступают в волновод из электронной пушки, а индуцируемое проволокой электростатическое поле создает точку Лагранжа, которая захватывает электрон и заставляет его двигаться по спиральной траектории очень малого сечения (около трех миллиметров).
Ученые также оценили возможные потери энергии при движении заряженной частицы в волноводе. Основной вклад в это внесло излучение электрона за счет перпендикулярной составляющей ускорения. По оценкам исследователей, потери в этом случае составят порядка 10-10 децибел на километр, что пренебрежимо мало по сравнению с энергией самой частицы. Например, электрон с энергией 30 килоэлектронвольт, движущийся по волноводу длиной шесть сантиметров, будет терять лишь 0,27 электронвольта в секунду.
Физики отметили, что разработанный ими волновод может начать новую эпоху в создании ускорителей заряженных частиц, а также внести вклад в развитие электронной микроскопии и литографии.
