Όταν δύο σωματίδια αιωρούνται στην εστία μιας δέσμης λέιζερ, το φως ανακλάται εμπρός και πίσω μεταξύ τους για να σχηματίσουν στάσιμα κύματα. Η αλληλεπίδραση με αυτά τα στάσιμα κύματα προκαλεί την αυτοευθυγράμμιση των σωματιδίων σε ένα φαινόμενο γνωστό ως οπτική δέσμευση. Τώρα, για πρώτη φορά, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, στην Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών και στο Πανεπιστήμιο του Ντούισμπουργκ-Έσσεν, στη Γερμανία, κατάφεραν να ελέγξουν πλήρως αυτή τη σύνδεση μεταξύ δύο οπτικά αιωρούμενων νανοσωματιδίων σε παράλληλες δέσμες λέιζερ. Το επίτευγμα παρέχει μια νέα πλατφόρμα για την εξερεύνηση της συλλογικής κβαντικής δυναμικής με δύο ή περισσότερα σωματίδια.
Στην εργασία, οι ερευνητές έδειξαν ότι ρυθμίζοντας τις ιδιότητες της δέσμης λέιζερ, μπορούσαν να ελέγξουν όχι μόνο την ισχύ της αλληλεπίδρασης μεταξύ των σωματιδίων, αλλά και αν αυτή η αλληλεπίδραση ήταν ελκυστική, απωθητική ή ακόμα και μη αμοιβαία. «Μη αμοιβαία σημαίνει ότι το ένα σωματίδιο σπρώχνει το άλλο αλλά το άλλο δεν σπρώχνει πίσω», εξηγεί το μέλος της ομάδας Μπέντζαμιν Στίκλερ του Πανεπιστήμιο του Duisburg-Essen. «Αν και αυτή η συμπεριφορά φαινομενικά παραβιάζει τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα σε ένα σύστημα που φαίνεται αρκετά συμμετρικό, δεν συμβαίνει επειδή κάποια ορμή παρασύρεται από το φωτεινό πεδίο».
Συνεκτική διασπορά
Προηγούμενες μελέτες για οπτικά δεσμευμένα σωματίδια δεν είχαν περιγράψει αυτή τη μη αμοιβαία συμπεριφορά, αλλά η ομάδα λέει ότι προέρχεται από ένα φαινόμενο γνωστό ως συνεκτική σκέδαση. Ουσιαστικά, όταν το φως λέιζερ προσκρούει σε ένα νανοσωματίδιο, το νανοσωματίδιο πολώνεται έτσι ώστε να ακολουθεί τις ταλαντώσεις των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων του φωτός.
«Σαν συνέπεια, όλο το φως που σκεδάζεται από το σωματίδιο ταλαντώνεται σε φάση με το εισερχόμενο λέιζερ», εξηγεί το μέλος της ομάδας Uros Delic του Πανεπιστήμιο της Βιέννης. «Το φως που διασκορπίζεται από ένα σωματίδιο μπορεί να παρέμβει στο φως που παγιδεύει το άλλο σωματίδιο. Εάν η φάση μεταξύ αυτών των φωτεινών πεδίων μπορεί να συντονιστεί, μπορεί να ρυθμιστεί και η ισχύς και ο χαρακτήρας των δυνάμεων μεταξύ των σωματιδίων».
Για να ξεγελάσουν αυτή τη συμπεριφορά, τα μέλη της ομάδας στη Βιέννη εγκατέστησαν δύο παράλληλα οπτικά τσιμπιδάκια με έναν χωρικό διαμορφωτή φωτός, ο οποίος είναι μια οθόνη υγρών κρυστάλλων που μπορεί να χωρίσει ή να διαμορφώσει τη δέσμη λέιζερ. «Τα σωματίδια αρχικά παγιδεύονται το ένα κοντά στο άλλο για να δούμε πώς αλληλεπιδρούν μέσω του φωτός που αναπηδά από πάνω τους – δηλαδή πώς συνδέονται οπτικά», εξηγεί ο Delic. «Ο τρόπος για να γίνει αυτό είναι να παρατηρήσουμε πώς οι συχνότητες ταλάντωσής τους καθώς τις βάζουμε κοντά: όσο περισσότερο αλλάζουν, τόσο ισχυρότερη είναι η αλληλεπίδραση».
Χάρη στους θεωρητικούς υπολογισμούς των συναδέλφων τους στο Ντούισμπουργκ, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι αλληλεπιδράσεις μπορεί να γίνουν μη αμοιβαίες για ένα συγκεκριμένο περιβάλλον. Αυτό το εύρημα επιβεβαιώθηκε από παρατηρήσεις στο εργαστήριο, όπου αποδείχθηκε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων ήταν πιο περίπλοκη από ό,τι αναμενόταν.
“Ένα ριζικά νέο εργαλείο”
«Το πείραμά μας παρέχει ένα ριζικά νέο εργαλείο για τον έλεγχο και την εξερεύνηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ αιωρούμενων νανοαντικειμένων», λένε οι Delic και Stickler. Κόσμος Φυσικής. «Το επίπεδο επιτυγχανόμενου ελέγχου και λειτουργίας στο κβαντικό καθεστώς ανοίγει πολλές ενδιαφέρουσες ερευνητικές λεωφόρους, για παράδειγμα τη μελέτη πολύπλοκων φαινομένων σε πολυσωματιδιακά συστήματα».
Τα οπτικά τσιμπιδάκια συγκρατούν νανοσωματίδια σε υπερρευστό ήλιο
Οι ερευνητές λένε ότι τώρα θα προσπαθήσουν να κλιμακώσουν την τεχνική τους έτσι ώστε να μπορεί να επεκταθεί σε πολλά αιωρούμενα νανοσωματίδια. «Οι συντονισμένες αλληλεπιδράσεις θα μας επιτρέψουν να προγραμματίσουμε τις συνδέσεις μεταξύ των σωματιδίων και να εξερευνήσουμε πώς κινούνται συλλογικά και σχηματίζουν μοτίβα», λένε οι Delic και Stickler.
Η παρούσα μελέτη δημοσιεύεται στο Επιστήμη.
