Quando due particelle vengono levitate nel fuoco di un raggio laser, la luce si riflette avanti e indietro tra di loro per formare onde stazionarie. L'interazione con queste onde stazionarie fa sì che le particelle si autoallineino in un fenomeno noto come legame ottico. Ora, per la prima volta, i ricercatori dell'Università di Vienna, dell'Accademia austriaca delle scienze e dell'Università di Duisburg-Essen, in Germania, sono riusciti a controllare completamente questo legame tra due nanoparticelle otticamente levitate in fasci laser paralleli. Il risultato fornisce una nuova piattaforma per esplorare la dinamica quantistica collettiva con due o più particelle.
Nel lavoro, i ricercatori hanno dimostrato che, sintonizzando le proprietà del raggio laser, potevano controllare non solo la forza dell'interazione tra le particelle, ma anche se questa interazione fosse attraente, repulsiva o addirittura non reciproca. "Non reciproco significa che una particella spinge l'altra ma l'altra non respinge", spiega il membro del team Benjamin Stickler della Università di Duisburg-Essen. "Sebbene questo comportamento violi apparentemente la terza legge di Newton in un sistema che sembra abbastanza simmetrico, non è così perché un po' di slancio è portato via dal campo di luce".
Dispersione coerente
Precedenti studi su particelle otticamente legate non avevano descritto questo comportamento non reciproco, ma il team afferma che deriva da un fenomeno noto come dispersione coerente. In sostanza, quando la luce laser colpisce una nanoparticella, la nanoparticella si polarizza in modo da seguire le oscillazioni delle onde elettromagnetiche della luce.
"Di conseguenza, tutta la luce che viene diffusa dalla particella oscilla in fase con il laser in arrivo", spiega un membro del team Uros Delic della Università di Vienna. “La luce diffusa da una particella può interferire con la luce che intrappola l'altra particella. Se la fase tra questi campi di luce può essere sintonizzata, così possono la forza e il carattere delle forze tra le particelle.
Per anticipare questo comportamento, i membri del team a Vienna hanno installato due pinzette ottiche parallele con un modulatore di luce spaziale, che è un display a cristalli liquidi in grado di dividere o modellare il raggio laser. "Le particelle sono inizialmente intrappolate l'una vicino all'altra per vedere come interagiscono attraverso la luce che rimbalza su di esse, ovvero come si legano otticamente", spiega Delic. "Il modo per farlo è osservare come le loro frequenze di oscillazione quando le avviciniamo: più cambiano, più forte è l'interazione".
Grazie ai calcoli teorici dei loro colleghi di Duisburg, i ricercatori hanno scoperto che le interazioni possono diventare non reciproche per un contesto specifico. Questa scoperta è stata confermata da osservazioni in laboratorio, dove si è scoperto che l'interazione tra le particelle era più complessa del previsto.
“Uno strumento radicalmente nuovo”
"Il nostro esperimento fornisce uno strumento radicalmente nuovo per controllare ed esplorare le interazioni tra nanooggetti levitati", affermano Delic e Stickler Mondo della fisica. "Il livello di controllo e funzionamento raggiunto nel regime quantistico apre molte interessanti vie di ricerca, ad esempio lo studio di fenomeni complessi nei sistemi multiparticellari".
Le pinzette ottiche trattengono le nanoparticelle nell'elio superfluido
I ricercatori affermano che ora cercheranno di aumentare la loro tecnica in modo che possa essere estesa a molte nanoparticelle levitate. "Le interazioni sintonizzabili ci permetteranno di programmare le connessioni tra le particelle ed esplorare come si muovono collettivamente e formano schemi", affermano Delic e Stickler.
Il presente studio è pubblicato in Scienze.
