Kun kaksi hiukkasta leijuu lasersäteen keskipisteessä, valo heijastuu edestakaisin niiden välillä muodostaen seisovia aaltoja. Vuorovaikutus näiden seisovien aaltojen kanssa saa hiukkaset asettumaan itsestään optisena sitoutumisena tunnetussa ilmiössä. Nyt ensimmäistä kertaa Wienin yliopiston, Itävallan tiedeakatemian ja Duisburg-Essenin yliopiston, Saksan, tutkijat ovat onnistuneet täysin hallitsemaan tätä sitoutumista kahden optisesti levitoidun nanohiukkasen välillä rinnakkaisissa lasersäteissä. Saavutus tarjoaa uuden alustan kollektiivisen kvanttidynamiikan tutkimiseen kahden tai useamman hiukkasen kanssa.
Työssä tutkijat osoittivat, että virittämällä lasersäteen ominaisuuksia he pystyivät kontrolloimaan paitsi hiukkasten välisen vuorovaikutuksen voimakkuutta, myös sitä, oliko tämä vuorovaikutus houkutteleva, vastenmielinen vai jopa ei-vastavuoroinen. "Ei-vastavuoroisuus tarkoittaa, että yksi hiukkanen työntää toista, mutta toinen ei työnnä takaisin", selittää tiimin jäsen. Benjamin Stickler että Duisburg-Essenin yliopisto. "Vaikka tämä käyttäytyminen näennäisesti rikkoo Newtonin kolmatta lakia järjestelmässä, joka näyttää melko symmetriseltä, se ei ole sitä, koska valokenttä vie vauhtia pois."
Koherentti sironta
Aiemmat tutkimukset optisesti sitoutuneista hiukkasista eivät olleet kuvanneet tätä ei-vastavuoroista käyttäytymistä, mutta ryhmä sanoo, että se johtuu ilmiöstä, joka tunnetaan nimellä koherentti sironta. Pohjimmiltaan, kun laservalo osuu nanohiukkaseen, nanohiukkasesta tulee polarisoitunut niin, että se seuraa valon sähkömagneettisten aaltojen värähtelyjä.
"Tämän seurauksena kaikki hiukkasista sironnut valo värähtelee samassa vaiheessa tulevan laserin kanssa", selittää tiimin jäsen. Uros Delic että Wienin yliopisto. "Yhdestä hiukkasesta siroteltu valo voi häiritä valoa, joka vangitsee toisen hiukkasen. Jos näiden valokenttien välinen vaihe voidaan säätää, niin myös hiukkasten välisten voimien vahvuus ja luonne voidaan säätää."
Tämän käytöksen poistamiseksi tiimin jäsenet Wienissä asettivat kaksi rinnakkaista optista pinsettiä, joissa on spatiaalinen valomodulaattori, joka on nestekidenäyttö, joka voi jakaa tai muokata lasersäteen. "Partikkelit jäävät aluksi loukkuun lähelle toisiaan nähdäkseen, kuinka ne ovat vuorovaikutuksessa niistä pomppivan valon kautta – eli kuinka ne sitoutuvat optisesti", Delic selittää. "Tapa tehdä se on tarkkailla, kuinka niiden värähtelytaajuudet asetetaan lähelle: mitä enemmän ne muuttuvat, sitä vahvempi vuorovaikutus."
Duisburgin kollegoiden teoreettisten laskelmien ansiosta tutkijat havaitsivat, että vuorovaikutus voi muuttua ei-vastavuoroiseksi tietyssä ympäristössä. Tämä havainto vahvistettiin laboratoriossa, jossa kävi ilmi, että hiukkasten välinen vuorovaikutus oli ennakoitua monimutkaisempi.
"Radikaalisti uusi työkalu"
"Kokeemme tarjoaa radikaalisti uuden työkalun levitoituneiden nanoobjektien välisten vuorovaikutusten ohjaamiseen ja tutkimiseen", Delic ja Stickler kertovat. Fysiikan maailma. "Saavutetun ohjauksen ja toiminnan taso kvanttijärjestelmässä avaa monia mielenkiintoisia tutkimuspolkuja esimerkiksi monihiukkasjärjestelmien monimutkaisten ilmiöiden tutkimiseen."
Optiset pinsetit pitävät nanohiukkasia supernesteisessä heliumissa
Tutkijat sanovat, että he yrittävät nyt laajentaa tekniikkaansa, jotta se voidaan laajentaa moniin levitoituihin nanohiukkasiin. "Viritettävät vuorovaikutukset antavat meille mahdollisuuden ohjelmoida hiukkasten välisiä yhteyksiä ja tutkia, kuinka ne yhdessä liikkuvat ja muodostavat kuvioita", Delic ja Stickler sanovat.
Tämä tutkimus on julkaistu v tiede.
