Quando duas partículas levitam no foco de um feixe de laser, a luz é refletida entre elas para formar ondas estacionárias. A interação com essas ondas estacionárias faz com que as partículas se autoalinhem em um fenômeno conhecido como ligação óptica. Agora, pela primeira vez, investigadores da Universidade de Viena, da Academia Austríaca de Ciências e da Universidade de Duisburg-Essen, na Alemanha, conseguiram controlar totalmente esta ligação entre duas nanopartículas levitadas opticamente em feixes de laser paralelos. A conquista fornece uma nova plataforma para explorar a dinâmica quântica coletiva com duas ou mais partículas.
No trabalho, os pesquisadores mostraram que, ao ajustar as propriedades do feixe de laser, poderiam controlar não apenas a força da interação entre as partículas, mas também se essa interação era atrativa, repulsiva ou mesmo não recíproca. “Não recíproco significa que uma partícula empurra a outra, mas a outra não empurra de volta”, explica o membro da equipe Benjamin Stickler da Universidade de Duisburg-Essen. “Embora este comportamento aparentemente viole a terceira lei de Newton num sistema que parece bastante simétrico, isso não acontece porque algum momento é levado pelo campo de luz.”
Dispersão coerente
Estudos anteriores de partículas ligadas opticamente não descreveram este comportamento não recíproco, mas a equipe afirma que ele decorre de um fenômeno conhecido como espalhamento coerente. Essencialmente, quando a luz do laser incide sobre uma nanopartícula, a nanopartícula torna-se polarizada de modo que segue as oscilações das ondas eletromagnéticas da luz.
“Como consequência, toda a luz espalhada pela partícula oscila em fase com o laser que chega”, explica o membro da equipe Uros Delícia da Universidade de Viena. “A luz espalhada por uma partícula pode interferir na luz que prende a outra partícula. Se a fase entre esses campos de luz pode ser ajustada, o mesmo acontece com a força e o caráter das forças entre as partículas.”
Para desvendar esse comportamento, os membros da equipe em Viena montaram duas pinças ópticas paralelas com um modulador de luz espacial, que é uma tela de cristal líquido que pode dividir ou moldar o feixe de laser. “As partículas são inicialmente presas próximas umas das outras para ver como elas interagem através da luz que reflete nelas – isto é, como elas se ligam opticamente”, explica Delic. “A maneira de fazer isso é observar como são suas frequências de oscilação à medida que os aproximamos: quanto mais eles mudam, mais forte é a interação.”
Graças aos cálculos teóricos dos seus colegas em Duisburg, os investigadores descobriram que as interações podem tornar-se não recíprocas num ambiente específico. Esta descoberta foi confirmada por observações em laboratório, onde se descobriu que a interação entre as partículas era mais complexa do que o previsto.
“Uma ferramenta radicalmente nova”
“Nosso experimento fornece uma ferramenta radicalmente nova para controlar e explorar as interações entre nanoobjetos levitados”, dizem Delic e Stickler. Mundo da física. “O nível de controle e operação alcançado no regime quântico abre muitos caminhos de pesquisa interessantes, por exemplo, o estudo de fenômenos complexos em sistemas multipartículas.”
Pinças ópticas retêm nanopartículas em hélio superfluido
Os pesquisadores dizem que agora tentarão ampliar sua técnica para que ela possa ser estendida a muitas nanopartículas levitadas. “As interações ajustáveis nos permitirão programar conexões entre partículas e explorar como elas se movem coletivamente e formam padrões”, dizem Delic e Stickler.
O presente estudo está publicado em Ciência.
