Wanneer twee deeltjes zweven in het brandpunt van een laserstraal, reflecteert het licht heen en weer tussen hen in om staande golven te vormen. De interactie met deze staande golven zorgt ervoor dat de deeltjes zichzelf uitlijnen in een fenomeen dat bekend staat als optische binding. Nu zijn onderzoekers van de Universiteit van Wenen, de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Duisburg-Essen, Duitsland, er voor het eerst in geslaagd om deze binding tussen twee optisch zwevende nanodeeltjes in parallelle laserstralen volledig te beheersen. De prestatie biedt een nieuw platform voor het verkennen van collectieve kwantumdynamica met twee of meer deeltjes.
In het werk toonden de onderzoekers aan dat ze door de eigenschappen van de laserstraal af te stemmen, niet alleen de sterkte van de interactie tussen deeltjes konden controleren, maar ook of deze interactie aantrekkelijk, weerzinwekkend of zelfs niet-wederkerig was. "Niet-wederkerig betekent dat het ene deeltje het andere duwt, maar het andere niet terug", legt teamlid uit Benjamin Stickler van de Universiteit van Duisburg-Essen. "Hoewel dit gedrag schijnbaar in strijd is met de derde wet van Newton in een systeem dat er vrij symmetrisch uitziet, is dat niet het geval omdat een bepaald momentum wordt meegesleept door het lichtveld."
Coherente verstrooiing
Eerdere studies van optisch gebonden deeltjes hadden dit niet-wederkerige gedrag niet beschreven, maar het team zegt dat het voortkomt uit een fenomeen dat bekend staat als coherente verstrooiing. In wezen, wanneer laserlicht op een nanodeeltje valt, wordt het nanodeeltje gepolariseerd zodat het de oscillaties van de elektromagnetische golven van het licht volgt.
"Als gevolg hiervan oscilleert al het licht dat door het deeltje wordt verstrooid in fase met de inkomende laser", legt teamlid uit Uros Delic van de Universiteit van Wenen. “Licht dat door het ene deeltje wordt verstrooid, kan interfereren met het licht dat het andere deeltje opsluit. Als de fase tussen deze lichtvelden kan worden afgestemd, kan ook de sterkte en het karakter van de krachten tussen de deeltjes.”
Om dit gedrag te plagen, hebben teamleden in Wenen twee parallelle optische pincetten opgezet met een ruimtelijke lichtmodulator, een vloeibaar-kristalscherm dat de laserstraal kan splitsen of vormen. "De deeltjes worden aanvankelijk dicht bij elkaar gevangen om te zien hoe ze op elkaar inwerken via het licht dat erop weerkaatst - dat wil zeggen, hoe ze zich optisch binden", legt Delic uit. "De manier om dat te doen is om te observeren hoe hun oscillatiefrequenties als we ze dichtbij plaatsen: hoe meer ze veranderen, hoe sterker de interactie."
Dankzij theoretische berekeningen van hun collega's in Duisburg ontdekten de onderzoekers dat de interacties voor een specifieke setting niet-wederkerig kunnen worden. Deze bevinding werd bevestigd door waarnemingen in het laboratorium, waar bleek dat de interactie tussen de deeltjes complexer was dan verwacht.
“Een radicaal nieuwe tool”
"Ons experiment biedt een radicaal nieuw hulpmiddel voor het controleren en onderzoeken van de interacties tussen zwevende nanobjecten", vertellen Delic en Stickler. Natuurkunde wereld. "Het niveau van bereikte controle en werking in het kwantumregime opent vele interessante onderzoeksmogelijkheden, bijvoorbeeld het bestuderen van complexe verschijnselen in systemen met meerdere deeltjes."
Optisch pincet houdt nanodeeltjes vast in supervloeibaar helium
De onderzoekers zeggen dat ze nu zullen proberen hun techniek op te schalen, zodat deze kan worden uitgebreid tot veel zwevende nanodeeltjes. "De afstembare interacties stellen ons in staat verbindingen tussen deeltjes te programmeren en te onderzoeken hoe ze collectief bewegen en patronen vormen", zeggen Delic en Stickler.
De huidige studie is gepubliceerd in Wetenschap.
