Wenn zwei Teilchen im Fokus eines Laserstrahls schweben, wird Licht zwischen ihnen hin und her reflektiert und bildet stehende Wellen. Die Wechselwirkung mit diesen stehenden Wellen führt dazu, dass sich die Partikel selbst ausrichten, ein Phänomen, das als optische Bindung bekannt ist. Nun ist es Forschern der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Duisburg-Essen erstmals gelungen, diese Bindung zwischen zwei optisch schwebenden Nanopartikeln in parallelen Laserstrahlen vollständig zu kontrollieren. Die Errungenschaft bietet eine neue Plattform für die Erforschung der kollektiven Quantendynamik mit zwei oder mehr Teilchen.
In der Arbeit zeigten die Forscher, dass sie durch die Abstimmung der Eigenschaften des Laserstrahls nicht nur die Stärke der Wechselwirkung zwischen Partikeln steuern konnten, sondern auch, ob diese Wechselwirkung anziehend, abstoßend oder sogar nicht reziprok war. „Nicht reziprok bedeutet, dass ein Teilchen das andere anstößt, das andere aber nicht zurückstößt“, erklärt ein Teammitglied Benjamin Stickler dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Universität Duisburg-Essen. „Während dieses Verhalten in einem System, das recht symmetrisch aussieht, scheinbar gegen Newtons drittes Gesetz verstößt, ist dies nicht der Fall, da vom Lichtfeld ein gewisser Impuls abgeführt wird.“
Kohärente Streuung
Frühere Studien zu optisch gebundenen Partikeln hatten dieses nichtreziproke Verhalten nicht beschrieben, aber das Team sagt, dass es auf ein Phänomen zurückzuführen ist, das als kohärente Streuung bekannt ist. Wenn Laserlicht auf ein Nanopartikel trifft, wird das Nanopartikel im Wesentlichen polarisiert, sodass es den Schwingungen der elektromagnetischen Wellen des Lichts folgt.
„Infolgedessen schwingt das gesamte Licht, das vom Partikel gestreut wird, in Phase mit dem einfallenden Laser“, erklärt das Teammitglied Uros Delic dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Universität Wien. „Licht, das von einem Teilchen gestreut wird, kann das Licht stören, das das andere Teilchen einfängt. Wenn die Phase zwischen diesen Lichtfeldern eingestellt werden kann, können auch die Stärke und der Charakter der Kräfte zwischen den Teilchen eingestellt werden.“
Um dieses Verhalten herauszufinden, stellten Teammitglieder in Wien zwei parallele optische Pinzetten mit einem räumlichen Lichtmodulator auf, einer Flüssigkristallanzeige, die den Laserstrahl teilen oder formen kann. „Die Partikel werden zunächst nahe beieinander gefangen, um zu sehen, wie sie über das von ihnen reflektierte Licht interagieren – also wie sie sich optisch verbinden“, erklärt Delic. „Der Weg, dies zu erreichen, besteht darin, zu beobachten, wie ihre Schwingungsfrequenzen, wenn wir sie näher bringen: Je mehr sie sich ändern, desto stärker ist die Wechselwirkung.“
Dank theoretischer Berechnungen ihrer Duisburger Kollegen fanden die Forscher heraus, dass die Wechselwirkungen für eine bestimmte Situation nicht reziprok sein können. Dieser Befund wurde durch Beobachtungen im Labor bestätigt, bei denen sich herausstellte, dass die Wechselwirkung zwischen den Partikeln komplexer war als erwartet.
„Ein radikal neues Werkzeug“
„Unser Experiment bietet ein völlig neues Werkzeug zur Kontrolle und Erforschung der Wechselwirkungen zwischen schwebenden Nanoobjekten“, erzählen Delic und Stickler Physik-Welt. „Der erreichte Grad an Kontrolle und Betrieb im Quantenregime eröffnet viele interessante Forschungsmöglichkeiten, beispielsweise die Untersuchung komplexer Phänomene in Mehrteilchensystemen.“
Optische Pinzetten halten Nanopartikel in superflüssigem Helium
Die Forscher sagen, dass sie nun versuchen werden, ihre Technik so zu erweitern, dass sie auf viele schwebende Nanopartikel ausgeweitet werden kann. „Die abstimmbaren Wechselwirkungen werden es uns ermöglichen, Verbindungen zwischen Partikeln zu programmieren und zu untersuchen, wie sie sich gemeinsam bewegen und Muster bilden“, sagen Delic und Stickler.
Die vorliegende Studie ist veröffentlicht in Wissenschaft.
