Когда две частицы левитируют в фокусе лазерного луча, свет отражается между ними, образуя стоячие волны. Взаимодействие с этими стоячими волнами заставляет частицы самовыравниваться в явлении, известном как оптическое связывание. Теперь впервые исследователям из Венского университета, Австрийской академии наук и Университета Дуйсбург-Эссен в Германии удалось полностью контролировать эту связь между двумя оптически левитирующими наночастицами в параллельных лазерных лучах. Достижение предоставляет новую платформу для изучения коллективной квантовой динамики с двумя или более частицами.
В работе исследователи показали, что, настраивая свойства лазерного луча, они могут контролировать не только силу взаимодействия между частицами, но и то, будет ли это взаимодействие притягивающим, отталкивающим или даже невзаимным. «Невзаимность означает, что одна частица толкает другую, а другая не отталкивает», — объясняет член команды. Бенджамин Стиклер Университет Дуйсбург-Эссен. «Хотя такое поведение, по-видимому, нарушает третий закон Ньютона в системе, которая выглядит довольно симметричной, это не так, потому что часть импульса уносится световым полем».
Когерентное рассеяние
Предыдущие исследования оптически связанных частиц не описывали это невзаимное поведение, но команда говорит, что оно связано с явлением, известным как когерентное рассеяние. По сути, когда лазерный луч падает на наночастицу, наночастица поляризуется так, что следует колебаниям электромагнитных волн света.
«Как следствие, весь свет, рассеянный частицей, колеблется в фазе с падающим лазером», — объясняет член команды. Урос Делич Венский университет. «Свет, рассеянный одной частицей, может мешать свету, захватывающему другую частицу. Если можно настроить фазу между этими световыми полями, то можно настроить силу и характер сил между частицами».
Чтобы выявить такое поведение, члены команды в Вене установили два параллельных оптических пинцета с пространственным модулятором света, представляющим собой жидкокристаллический дисплей, который может разделять или формировать лазерный луч. «Частицы сначала помещаются близко друг к другу, чтобы увидеть, как они взаимодействуют через свет, отражающийся от них, то есть как они оптически связываются», — объясняет Делик. «Способ сделать это — наблюдать за тем, как их частоты колебаний приближаются: чем больше они меняются, тем сильнее взаимодействие».
Благодаря теоретическим расчетам, проведенным их коллегами из Дуйсбурга, исследователи обнаружили, что взаимодействия могут стать невзаимными для конкретных условий. Этот вывод был подтвержден наблюдениями в лаборатории, где оказалось, что взаимодействие между частицами оказалось более сложным, чем предполагалось.
«Радикально новый инструмент»
«Наш эксперимент предоставляет радикально новый инструмент для контроля и изучения взаимодействий между левитирующими нанообъектами», — говорят Делич и Стиклер. Мир физики. «Уровень достигнутого контроля и работы в квантовом режиме открывает множество интересных направлений исследований, например, изучение сложных явлений в многочастичных системах».
Оптический пинцет удерживает наночастицы в сверхтекучем гелии
Исследователи говорят, что теперь они попытаются расширить свою технику, чтобы ее можно было распространить на многие левитирующие наночастицы. «Настраиваемые взаимодействия позволят нам программировать связи между частицами и исследовать, как они совместно перемещаются и формируют узоры», — говорят Делик и Стиклер.
Настоящее исследование опубликовано в Наука.
