Når to partikler er levitert i fokus av en laserstråle, reflekteres lys frem og tilbake mellom dem for å danne stående bølger. Samspillet med disse stående bølgene får partiklene til å justere seg selv i et fenomen kjent som optisk binding. Nå har forskere ved universitetet i Wien, det østerrikske vitenskapsakademiet og universitetet i Duisburg-Essen, Tyskland, for første gang lykkes med å kontrollere denne bindingen mellom to optisk leviterte nanopartikler i parallelle laserstråler. Prestasjonen gir en ny plattform for å utforske kollektiv kvantedynamikk med to eller flere partikler.
I arbeidet viste forskerne at ved å justere egenskapene til laserstrålen, kunne de kontrollere ikke bare styrken til interaksjonen mellom partikler, men også om denne interaksjonen var attraktiv, frastøtende eller til og med ikke-gjensidig. "Ikke-gjensidig betyr at en partikkel skyver den andre, men den andre skyver ikke tilbake," forklarer teammedlem Benjamin Stickler av Universitetet i Duisburg-Essen. "Selv om denne oppførselen tilsynelatende bryter med Newtons tredje lov i et system som ser ganske symmetrisk ut, gjør det det ikke fordi noe momentum blir båret bort av lysfeltet."
Sammenhengende spredning
Tidligere studier av optisk bundne partikler hadde ikke beskrevet denne ikke-gjensidige oppførselen, men teamet sier at det stammer fra et fenomen kjent som koherent spredning. I hovedsak, når laserlys treffer en nanopartikkel, blir nanopartikkelen polarisert slik at den følger svingningene til lysets elektromagnetiske bølger.
"Som en konsekvens svinger alt lys som er spredt fra partikkelen i fase med den innkommende laseren," forklarer teammedlem Uros Delic av Universitetet i Wien. "Lys som er spredt fra en partikkel kan forstyrre lyset som fanger den andre partikkelen. Hvis fasen mellom disse lysfeltene kan justeres, kan styrken og karakteren til kreftene mellom partiklene også.»
For å pirre ut denne oppførselen, satte teammedlemmer i Wien opp to parallelle optiske pinsett med en romlig lysmodulator, som er en flytende krystallskjerm som kan splitte eller forme laserstrålen. "Partiklene er i utgangspunktet fanget nær hverandre for å se hvordan de samhandler via lyset som spretter av dem - det vil si hvordan de binder seg optisk," forklarer Delic. "Måten å gjøre det på er å observere hvordan svingningsfrekvensene deres når vi setter dem nær: jo mer de endrer seg, jo sterkere blir interaksjonen."
Takket være teoretiske beregninger fra kollegene deres i Duisburg, fant forskerne at interaksjonene kan bli ikke-gjensidige for en spesifikk setting. Dette funnet ble bekreftet av observasjoner i laboratoriet, hvor det viste seg at interaksjonen mellom partiklene var mer kompleks enn forventet.
"Et radikalt nytt verktøy"
"Eksperimentet vårt gir et radikalt nytt verktøy for å kontrollere og utforske interaksjonene mellom leviterte nanoobjekter," forteller Delic og Stickler Fysikkens verden. "Nivået på oppnådd kontroll og drift i kvanteregimet åpner for mange interessante forskningsmuligheter, for eksempel å studere komplekse fenomener i multipartikkelsystemer."
Optisk pinsett holder nanopartikler i superflytende helium
Forskerne sier at de nå vil prøve å skalere opp teknikken sin slik at den kan utvides til mange leviterte nanopartikler. "De justerbare interaksjonene vil tillate oss å programmere forbindelser mellom partikler og utforske hvordan de kollektivt beveger seg og danner mønstre," sier Delic og Stickler.
Denne studien er publisert i Vitenskap.
