כאשר שני חלקיקים מרחפים במוקד של קרן לייזר, האור משתקף ביניהם הלוך ושוב ליצירת גלים עומדים. האינטראקציה עם גלים עומדים אלו גורמת לחלקיקים להתיישר בעצמם בתופעה המכונה כריכה אופטית. כעת, לראשונה, חוקרים מאוניברסיטת וינה, האקדמיה האוסטרית למדעים ואוניברסיטת דויסבורג-אסן, גרמניה הצליחו לשלוט באופן מלא על הקישור הזה בין שני חלקיקים מרחפים אופטית בקרני לייזר מקבילות. ההישג מספק פלטפורמה חדשה לחקר דינמיקה קוונטית קולקטיבית עם שני חלקיקים או יותר.
בעבודה הראו החוקרים כי על ידי כוונון תכונות קרן הלייזר, הם יכולים לשלוט לא רק על עוצמת האינטראקציה בין חלקיקים, אלא גם האם האינטראקציה הזו הייתה מושכת, דוחה או אפילו לא הדדית. "לא הדדי פירושו שחלקיק אחד דוחף את השני אבל השני לא דוחף לאחור", מסביר חבר הצוות בנג'מין סטיקלר של אוניברסיטת דיסבורג-אסן. "למרות שהתנהגות זו מפרה לכאורה את החוק השלישי של ניוטון במערכת שנראית די סימטרית, היא לא עושה זאת משום שחלק מהתנופה נסחפת על ידי שדה האור."
פיזור קוהרנטי
מחקרים קודמים של חלקיקים הקשורים אופטית לא תיארו את ההתנהגות הלא הדדית הזו, אבל הצוות אומר שהיא נובעת מתופעה המכונה פיזור קוהרנטי. בעיקרו של דבר, כאשר אור לייזר פוגע בננו-חלקיק, הננו-חלקיק הופך מקוטב כך שהוא עוקב אחר התנודות של הגלים האלקטרומגנטיים של האור.
"כתוצאה מכך, כל האור שמפוזר מהחלקיק מתנודד בשלב עם הלייזר הנכנס", מסביר חבר הצוות אורוס דליק של אוניברסיטת וינה. "אור שמתפזר מחלקיק אחד יכול להפריע לאור הלוכד את החלקיק השני. אם ניתן לכוונן את הפאזה בין שדות האור הללו, כך ניתן לכוון את העוצמה והאופי של הכוחות בין החלקיקים".
כדי להתגרות בהתנהגות זו, חברי הצוות בוינה הקימו שתי פינצטות אופטיות מקבילות עם מאפנן אור מרחבי, שהוא צג גביש נוזלי שיכול לפצל או לעצב את קרן הלייזר. "החלקיקים נלכדים בתחילה קרוב זה לזה כדי לראות כיצד הם מקיימים אינטראקציה באמצעות האור שמקפיץ אותם - כלומר, איך הם נקשרים אופטית", מסביר דליק. "הדרך לעשות זאת היא לראות כיצד תדרי התנודה שלהם כשאנחנו מקרובים אותם: ככל שהם משתנים יותר, כך האינטראקציה חזקה יותר."
הודות לחישובים תיאורטיים של עמיתיהם בדויסבורג, החוקרים גילו שהאינטראקציות יכולות להפוך ללא הדדיות עבור סביבה ספציפית. ממצא זה אושר על ידי תצפיות במעבדה, שם התברר שהאינטראקציה בין החלקיקים הייתה מורכבת מהצפוי.
"כלי חדש לחלוטין"
"הניסוי שלנו מספק כלי חדש באופן קיצוני לשליטה ולחקור את האינטראקציות בין ננו-אובייקטים מרחפים", אומרים דליק וסטיקלר עולם הפיזיקה. "רמת השליטה והפעולה שהושגו במשטר הקוונטי פותחת אפיקים מחקריים מעניינים רבים, למשל חקר תופעות מורכבות במערכות מרובות חלקיקים".
פינצטה אופטית מחזיקה ננו-חלקיקים בהליום סופר נוזלי
החוקרים אומרים שהם ינסו כעת להגדיל את הטכניקה שלהם כך שניתן יהיה להרחיב אותה לננו-חלקיקים רבים מרחפים. "האינטראקציות הניתנות לכיוונון יאפשרו לנו לתכנת קשרים בין חלקיקים ולחקור כיצד הם ביחד נעים ויוצרים דפוסים", אומרים דליק וסטיקלר.
המחקר הנוכחי פורסם ב מדע.
