Lorsque deux particules sont en lévitation au foyer d’un faisceau laser, la lumière se reflète entre elles pour former des ondes stationnaires. L’interaction avec ces ondes stationnaires provoque l’auto-alignement des particules dans un phénomène connu sous le nom de liaison optique. Aujourd'hui, pour la première fois, des chercheurs de l'Université de Vienne, de l'Académie autrichienne des sciences et de l'Université de Duisburg-Essen, en Allemagne, ont réussi à contrôler pleinement cette liaison entre deux nanoparticules en lévitation optique dans des faisceaux laser parallèles. Cette réalisation fournit une nouvelle plate-forme pour explorer la dynamique quantique collective avec deux particules ou plus.
Dans leurs travaux, les chercheurs ont montré qu'en ajustant les propriétés du faisceau laser, ils pouvaient contrôler non seulement la force de l'interaction entre les particules, mais également si cette interaction était attractive, répulsive ou même non réciproque. "Non réciproque signifie qu'une particule pousse l'autre mais que l'autre ne repousse pas", explique un membre de l'équipe. Benjamin Stickler des Université de Duisburg-Essen. "Bien que ce comportement viole apparemment la troisième loi de Newton dans un système qui semble assez symétrique, ce n'est pas le cas car une certaine quantité de mouvement est emportée par le champ lumineux."
Diffusion cohérente
Des études antérieures sur des particules liées optiquement n'avaient pas décrit ce comportement non réciproque, mais l'équipe affirme qu'il découle d'un phénomène connu sous le nom de diffusion cohérente. Essentiellement, lorsque la lumière laser frappe une nanoparticule, celle-ci se polarise de manière à suivre les oscillations des ondes électromagnétiques de la lumière.
"En conséquence, toute la lumière diffusée par la particule oscille en phase avec le laser entrant", explique un membre de l'équipe. Uros Délic des Université de Vienne. « La lumière diffusée par une particule peut interférer avec la lumière qui piège l’autre particule. Si la phase entre ces champs lumineux peut être ajustée, la force et le caractère des forces entre les particules le peuvent également.
Pour détecter ce comportement, les membres de l'équipe de Vienne ont installé deux pinces optiques parallèles dotées d'un modulateur spatial de lumière, qui est un écran à cristaux liquides capable de diviser ou de façonner le faisceau laser. "Les particules sont initialement piégées les unes à côté des autres pour voir comment elles interagissent via la lumière qui rebondit sur elles, c'est-à-dire comment elles se lient optiquement", explique Delic. "La façon d'y parvenir est d'observer leurs fréquences d'oscillation à mesure que nous les rapprochons : plus elles changent, plus l'interaction est forte."
Grâce aux calculs théoriques de leurs collègues de Duisbourg, les chercheurs ont découvert que les interactions peuvent devenir non réciproques dans un contexte spécifique. Cette découverte a été confirmée par des observations en laboratoire, où il s'est avéré que l'interaction entre les particules était plus complexe que prévu.
« Un outil radicalement nouveau »
"Notre expérience fournit un outil radicalement nouveau pour contrôler et explorer les interactions entre les nanobjets en lévitation", expliquent Delic et Stickler. Monde de la physique. "Le niveau de contrôle et de fonctionnement atteint dans le régime quantique ouvre de nombreuses voies de recherche intéressantes, par exemple l'étude de phénomènes complexes dans les systèmes multiparticulaires."
Des pincettes optiques retiennent des nanoparticules dans de l'hélium superfluide
Les chercheurs disent qu’ils vont maintenant essayer d’étendre leur technique afin qu’elle puisse être étendue à de nombreuses nanoparticules en lévitation. "Les interactions réglables nous permettront de programmer des connexions entre les particules et d'explorer comment elles se déplacent et forment collectivement des modèles", expliquent Delic et Stickler.
La présente étude est publiée dans Sciences.
