Når to partikler svæver i fokus for en laserstråle, reflekteres lys frem og tilbage mellem dem og danner stående bølger. Interaktionen med disse stående bølger får partiklerne til at justere sig selv i et fænomen kendt som optisk binding. Nu er det for første gang lykkedes for forskere ved Universitetet i Wien, Det Østrigske Videnskabsakademi og Universitetet i Duisburg-Essen, Tyskland, fuldt ud at kontrollere denne binding mellem to optisk leviterede nanopartikler i parallelle laserstråler. Præstationen giver en ny platform til at udforske kollektiv kvantedynamik med to eller flere partikler.
I arbejdet viste forskerne, at de ved at tune laserstrålens egenskaber kunne kontrollere ikke kun styrken af interaktionen mellem partikler, men også om denne interaktion var attraktiv, frastødende eller endda ikke-gensidig. "Ikke-gensidig betyder, at den ene partikel skubber den anden, men den anden skubber ikke tilbage," forklarer teammedlem Benjamin Stickler af Universitetet i Duisburg-Essen. "Selvom denne adfærd tilsyneladende overtræder Newtons tredje lov i et system, der ser ret symmetrisk ud, gør det det ikke, fordi noget momentum bliver båret væk af lysfeltet."
Sammenhængende spredning
Tidligere undersøgelser af optisk bundne partikler havde ikke beskrevet denne ikke-gensidige adfærd, men holdet siger, at det stammer fra et fænomen kendt som kohærent spredning. I det væsentlige, når laserlys rammer en nanopartikel, bliver nanopartiklerne polariseret, så den følger oscillationerne af lysets elektromagnetiske bølger.
"Som en konsekvens svinger alt lys, der er spredt fra partiklen i fase med den indkommende laser," forklarer teammedlem Uros Delic af University of Vienna. "Lys, der spredes fra den ene partikel, kan forstyrre lyset, der fanger den anden partikel. Hvis fasen mellem disse lysfelter kan indstilles, kan styrken og karakteren af kræfterne mellem partiklerne også."
For at pirre denne opførsel opsatte teammedlemmer i Wien to parallelle optiske pincet med en rumlig lysmodulator, som er et flydende krystaldisplay, der kan opdele eller forme laserstrålen. "Partiklerne er i starten fanget tæt på hinanden for at se, hvordan de interagerer via lyset, der preller af dem - altså hvordan de binder optisk," forklarer Delic. "Måden at gøre det på er at observere, hvordan deres oscillationsfrekvenser, når vi sætter dem tæt på: Jo mere de ændrer sig, jo stærkere interaktion."
Takket være teoretiske beregninger fra deres kolleger i Duisburg fandt forskerne ud af, at interaktionerne kan blive ikke-gensidige for en specifik indstilling. Dette fund blev bekræftet af observationer i laboratoriet, hvor det viste sig, at interaktionen mellem partiklerne var mere kompleks end forventet.
"Et radikalt nyt værktøj"
"Vores eksperiment giver et radikalt nyt værktøj til at kontrollere og udforske interaktionerne mellem leviterede nanoobjekter," fortæller Delic og Stickler Fysik verden. "Niveauet af opnået kontrol og drift i kvanteregimet åbner mange interessante forskningsmuligheder, for eksempel at studere komplekse fænomener i multipartikelsystemer."
Optisk pincet holder nanopartikler i superflydende helium
Forskerne siger, at de nu vil forsøge at opskalere deres teknik, så den kan udvides til mange leviterede nanopartikler. "De afstembare interaktioner vil give os mulighed for at programmere forbindelser mellem partikler og udforske, hvordan de kollektivt bevæger sig og danner mønstre," siger Delic og Stickler.
Nærværende undersøgelse er publiceret i Videnskab.
