Ketika dua partikel diangkat dalam fokus sinar laser, cahaya memantulkan bolak-balik di antara mereka untuk membentuk gelombang berdiri. Interaksi dengan gelombang berdiri ini menyebabkan partikel menyelaraskan diri dalam fenomena yang dikenal sebagai pengikatan optik. Sekarang, untuk pertama kalinya, para peneliti di Universitas Wina, Akademi Ilmu Pengetahuan Austria dan Universitas Duisburg-Essen, Jerman telah berhasil sepenuhnya mengendalikan ikatan antara dua partikel nano yang diangkat secara optik dalam sinar laser paralel. Pencapaian ini menyediakan platform baru untuk mengeksplorasi dinamika kuantum kolektif dengan dua atau lebih partikel.
Dalam karya tersebut, para peneliti menunjukkan bahwa dengan menyetel sifat sinar laser, mereka tidak hanya dapat mengontrol kekuatan interaksi antar partikel, tetapi juga apakah interaksi ini menarik, menjijikkan, atau bahkan tidak timbal balik. “Non-timbal balik berarti bahwa satu partikel mendorong yang lain tetapi yang lain tidak mendorong kembali,” jelas anggota tim Benyamin Stickler dari Universitas Duisburg-Essen. "Meskipun perilaku ini tampaknya melanggar hukum ketiga Newton dalam sistem yang terlihat cukup simetris, itu tidak terjadi karena beberapa momentum terbawa oleh medan cahaya."
Hamburan koheren
Studi sebelumnya tentang partikel yang terikat secara optik tidak menggambarkan perilaku non-timbal balik ini, tetapi tim mengatakan bahwa itu berasal dari fenomena yang dikenal sebagai hamburan koheren. Pada dasarnya, ketika sinar laser mengenai nanopartikel, nanopartikel menjadi terpolarisasi sehingga mengikuti osilasi gelombang elektromagnetik cahaya.
“Akibatnya, semua cahaya yang tersebar dari partikel berosilasi sefase dengan laser yang masuk,” jelas anggota tim. Uros Deli dari Universitas Wina. “Cahaya yang dihamburkan dari satu partikel dapat mengganggu cahaya yang menjebak partikel lain. Jika fase antara medan cahaya ini dapat disetel, begitu juga kekuatan dan karakter gaya antar partikel.”
Untuk menghilangkan perilaku ini, anggota tim di Wina memasang dua pinset optik paralel dengan modulator cahaya spasial, yang merupakan layar kristal cair yang dapat membelah atau membentuk sinar laser. “Partikel-partikel tersebut pada awalnya terperangkap berdekatan satu sama lain untuk melihat bagaimana mereka berinteraksi melalui cahaya yang memantul dari mereka – yaitu, bagaimana mereka mengikat secara optik,” jelas Delic. “Cara melakukannya adalah dengan mengamati bagaimana frekuensi osilasi mereka saat kita mendekatkannya: semakin banyak mereka berubah, semakin kuat interaksinya.”
Berkat perhitungan teoretis oleh rekan-rekan mereka di Duisburg, para peneliti menemukan bahwa interaksi dapat menjadi non-timbal balik untuk pengaturan tertentu. Temuan ini dikonfirmasi oleh pengamatan di laboratorium, di mana ternyata interaksi antar partikel lebih kompleks dari yang diperkirakan.
“Alat baru yang radikal”
“Eksperimen kami menyediakan alat baru yang radikal untuk mengontrol dan menjelajahi interaksi antara objek nano yang dilayangkan,” kata Delic dan Stickler. Dunia Fisika. “Tingkat kontrol dan operasi yang dicapai dalam rezim kuantum membuka banyak jalan penelitian yang menarik, misalnya mempelajari fenomena kompleks dalam sistem multipartikel.”
Pinset optik menahan partikel nano dalam helium superfluida
Para peneliti mengatakan mereka sekarang akan mencoba untuk meningkatkan teknik mereka sehingga dapat diperluas ke banyak nanopartikel melayang. “Interaksi yang dapat disesuaikan akan memungkinkan kita untuk memprogram koneksi antar partikel dan mengeksplorasi bagaimana mereka secara kolektif bergerak dan membentuk pola,” kata Delic dan Stickler.
Studi ini diterbitkan di Ilmu.
