Физики из Гарвардского университета (США) построили детектор нейтральных атомов на основе находящейся под напряжением однослойной углеродной нанотрубки.

В состав устройства вошла полученная методом химического осаждения из паровой фазы нанотрубка длиной 10 мкм и диаметром в несколько нанометров, протянутая над отверстием, которое было проделано в мембране из нитрида кремния. Мембрана с двух сторон крепилась к кремниевой подложке, а к нанотрубке были подведены металлические электроды. Над этой конструкцией располагался канальный электронный умножитель, который служит детектором ионов.

Для проведения эксперимента ученые охладили атомы рубидия в магнитооптической ловушке до 200 мкК. Затем отдельные атомные «импульсы», в каждом из которых содержалось по 10⁶ атомов, регулярно посылались в сторону нанотрубки, расположенной на расстоянии около 2 см, перпендикулярно ее оси. Подавляющее большинство атомов проходило мимо, но те 5–10 частиц из миллиона, которые приближались к нанотрубке на микрометр и менее, захватывались ею и начинали вращаться вокруг нее по постепенно сужающейся орбите; этот процесс авторы сравнивают с действием черной дыры на вещество.

Начальная скорость движения атомов — 5,3 м/с — в ходе вращения увеличивается до 1 200 м/с, — рассказывает участница исследования Энн Гудселл (Anne Goodsell). — Температура, соответствующая их кинетической энергии, изменяется от 0,1 до нескольких тысяч кельвинов менее чем за одну микросекунду.

Вращение завершается тем, что валентный электрон атома туннелирует в нанотрубку, а образовавшийся ион отлетает в другую сторону, попадая (в идеале) в детектор.

Изображение «подвешенной» нанотрубки и схема устройства (иллюстрация из журнала Physical Review Letters)

В опытах, при оптимальном напряжении на нанотрубке, исследователи регистрировали лишь 5% ионизированных атомов, что вполне соответствует эффективности примененного электронного умножителя и геометрии эксперимента. При замене умножителя позиционно-чувствительным детектором на базе микроканальных пластин и оптимизации методики опыта эффективность регистрации атомов, по мнению авторов, должна приближаться к 100%. Кроме того, это позволит получить пространственное разрешение нанометрового порядка.

Детектор, как показано на рисунке ниже, начинает работать при подаче строго определенного напряжения. Это дает возможность оценивать энергию ионизации атома и отличать атомы различных элементов друг от друга.

Число ионов, зарегистрированных в каждом «импульсе» атомов, при разных напряжениях на нанотрубке (иллюстрация из журнала Physical Review Letters)

Движение атомов по спирали вокруг нанотрубки, ионизация и вылет иона (фиолетового) в направлении детектора (иллюстрация Anne Goodsell и Tommi Hakala, Harvard University)

Полная версия отчета опубликована в журнале Physical Review Letters.