Kiedy dwie cząstki lewitują w ognisku wiązki laserowej, światło odbija się między nimi, tworząc fale stojące. Interakcja z tymi falami stojącymi powoduje samoustawianie cząstek w zjawisku znanym jako wiązanie optyczne. Teraz po raz pierwszy naukowcom z Uniwersytetu Wiedeńskiego, Austriackiej Akademii Nauk i Uniwersytetu Duisburg-Essen w Niemczech udało się w pełni kontrolować to wiązanie pomiędzy dwoma optycznie lewitowanymi nanocząstkami w równoległych wiązkach lasera. Osiągnięcie zapewnia nową platformę do badania kolektywnej dynamiki kwantowej z dwiema lub większą liczbą cząstek.
W pracy naukowcy wykazali, że dostrajając właściwości wiązki lasera, mogliby kontrolować nie tylko siłę oddziaływania między cząsteczkami, ale także to, czy oddziaływanie to było przyciągające, odpychające, czy nawet niewzajemne. „Niewzajemność oznacza, że jedna cząstka popycha drugą, ale druga nie odpycha” – wyjaśnia członek zespołu Benjamina Sticklera ukończenia Uniwersytet Duisburg-Essen. „Chociaż takie zachowanie pozornie narusza trzecie prawo Newtona w układzie, który wygląda na dość symetryczny, tak nie jest, ponieważ pole świetlne przenosi część pędu”.
Spójne rozpraszanie
Poprzednie badania cząstek związanych optycznie nie opisywały tego niewzajemnego zachowania, ale zespół twierdzi, że wynika ono ze zjawiska zwanego rozpraszaniem koherentnym. Zasadniczo, gdy światło lasera pada na nanocząstkę, nanocząstka zostaje spolaryzowana w taki sposób, że podąża za oscylacjami fal elektromagnetycznych światła.
„W rezultacie całe światło rozproszone przez cząstkę oscyluje w fazie z nadchodzącym laserem” – wyjaśnia członek zespołu Uros Delic ukończenia Uniwersytet Wiedeński. „Światło rozproszone z jednej cząstki może zakłócać światło zatrzymujące drugą cząstkę. Jeśli uda się dostroić fazę pomiędzy tymi polami świetlnymi, można także dostroić siłę i charakter sił pomiędzy cząsteczkami.”
Aby zbadać to zachowanie, członkowie zespołu w Wiedniu utworzyli dwie równoległe pęsety optyczne z przestrzennym modulatorem światła, czyli wyświetlaczem ciekłokrystalicznym, który może dzielić lub kształtować wiązkę lasera. „Cząstki są początkowo uwięzione blisko siebie, aby zobaczyć, jak oddziałują ze sobą poprzez odbijane od nich światło – czyli jak się optycznie wiążą” – wyjaśnia Delic. „Sposobem na osiągnięcie tego jest obserwacja częstotliwości ich oscylacji, gdy je zbliżamy: im bardziej się zmieniają, tym silniejsza jest interakcja”.
Dzięki teoretycznym obliczeniom przeprowadzonym przez ich kolegów z Duisburga naukowcy odkryli, że w konkretnym otoczeniu interakcje mogą stać się niewzajemne. Odkrycie to potwierdziły obserwacje laboratoryjne, gdzie okazało się, że interakcja między cząstkami jest bardziej złożona, niż przewidywano.
„Radykalnie nowe narzędzie”
„Nasz eksperyment zapewnia radykalnie nowe narzędzie do kontrolowania i badania interakcji pomiędzy lewitowanymi nanoobiektami” – mówią Delic i Stickler Świat Fizyki. „Poziom osiągniętej kontroli i działania w reżimie kwantowym otwiera wiele interesujących kierunków badawczych, na przykład badania złożonych zjawisk w układach wielocząstkowych.”
Pęseta optyczna utrzymuje nanocząsteczki w nadciekłym helu
Naukowcy twierdzą, że teraz spróbują rozszerzyć swoją technikę, aby można ją było rozszerzyć na wiele lewitowanych nanocząstek. „Dostrajalne interakcje pozwolą nam zaprogramować połączenia między cząsteczkami i zbadać, w jaki sposób wspólnie się poruszają i tworzą wzory” – mówią Delic i Stickler.
Niniejsze badanie zostało opublikowane w nauka.
