Cuando dos partículas levitan en el foco de un rayo láser, la luz se refleja entre ellas para formar ondas estacionarias. La interacción con estas ondas estacionarias hace que las partículas se autoalineen en un fenómeno conocido como unión óptica. Ahora, por primera vez, investigadores de la Universidad de Viena, la Academia de Ciencias de Austria y la Universidad de Duisburg-Essen, Alemania, han logrado controlar por completo esta unión entre dos nanopartículas levitadas ópticamente en rayos láser paralelos. El logro proporciona una nueva plataforma para explorar la dinámica cuántica colectiva con dos o más partículas.
En el trabajo, los investigadores demostraron que al ajustar las propiedades del rayo láser, podían controlar no solo la fuerza de la interacción entre partículas, sino también si esta interacción era atractiva, repulsiva o incluso no recíproca. "No recíproco significa que una partícula empuja a la otra pero la otra no retrocede", explica un miembro del equipo. Benjamín Stickler de las Universidad de Duisburg-Essen. "Si bien este comportamiento aparentemente viola la tercera ley de Newton en un sistema que parece bastante simétrico, no lo hace porque el campo de luz se lleva algo de impulso".
Dispersión coherente
Estudios previos de partículas unidas ópticamente no habían descrito este comportamiento no recíproco, pero el equipo dice que se deriva de un fenómeno conocido como dispersión coherente. Esencialmente, cuando la luz láser incide sobre una nanopartícula, la nanopartícula se polariza para que siga las oscilaciones de las ondas electromagnéticas de la luz.
“Como consecuencia, toda la luz que se dispersa de la partícula oscila en fase con el láser entrante”, explica un miembro del equipo. Uros Delic de las Universidad de Viena. “La luz que se dispersa desde una partícula puede interferir con la luz que atrapa a la otra partícula. Si se puede ajustar la fase entre estos campos de luz, también se puede ajustar la fuerza y el carácter de las fuerzas entre las partículas”.
Para descubrir este comportamiento, los miembros del equipo en Viena instalaron dos pinzas ópticas paralelas con un modulador de luz espacial, que es una pantalla de cristal líquido que puede dividir o dar forma al rayo láser. “Las partículas se atrapan inicialmente unas cerca de otras para ver cómo interactúan a través de la luz que rebota en ellas, es decir, cómo se unen ópticamente”, explica Delic. “La forma de hacerlo es observar cómo sus frecuencias de oscilación a medida que las acercamos: cuanto más cambian, más fuerte es la interacción”.
Gracias a los cálculos teóricos realizados por sus colegas en Duisburg, los investigadores descubrieron que las interacciones pueden volverse no recíprocas para un entorno específico. Este hallazgo fue confirmado por observaciones en el laboratorio, donde resultó que la interacción entre las partículas era más compleja de lo previsto.
“Una herramienta radicalmente nueva”
“Nuestro experimento proporciona una herramienta radicalmente nueva para controlar y explorar las interacciones entre nanoobjetos levitados”, dicen Delic y Stickler. Mundo de la física. “El nivel de control y operación logrado en el régimen cuántico abre muchas vías de investigación interesantes, por ejemplo, el estudio de fenómenos complejos en sistemas multipartículas”.
Pinzas ópticas sostienen nanopartículas en helio superfluido
Los investigadores dicen que ahora intentarán ampliar su técnica para que pueda extenderse a muchas nanopartículas levitadas. “Las interacciones sintonizables nos permitirán programar conexiones entre partículas y explorar cómo se mueven colectivamente y forman patrones”, dicen Delic y Stickler.
El presente estudio se publica en Ciencia:.
