När två partiklar svävar i fokus för en laserstråle reflekteras ljus fram och tillbaka mellan dem för att bilda stående vågor. Interaktionen med dessa stående vågor gör att partiklarna självinriktar sig i ett fenomen som kallas optisk bindning. Nu har forskare vid universitetet i Wien, Österrikiska vetenskapsakademin och universitetet i Duisburg-Essen, Tyskland, för första gången lyckats kontrollera denna bindning mellan två optiskt svävande nanopartiklar i parallella laserstrålar. Prestationen ger en ny plattform för att utforska kollektiv kvantdynamik med två eller flera partiklar.
I arbetet visade forskarna att genom att justera egenskaperna hos laserstrålen kunde de kontrollera inte bara styrkan i interaktionen mellan partiklar, utan också om denna interaktion var attraktiv, frånstötande eller till och med icke-reciprok. "Icke-ömsesidig betyder att en partikel trycker den andra men den andra trycker inte tillbaka", förklarar teammedlem Benjamin Stickler av Universitetet i Duisburg-Essen. "Även om det här beteendet till synes bryter mot Newtons tredje lag i ett system som ser ganska symmetriskt ut, gör det inte det eftersom en del fart förs bort av ljusfältet."
Sammanhängande spridning
Tidigare studier av optiskt bundna partiklar hade inte beskrivit detta icke-ömsesidiga beteende, men teamet säger att det härrör från ett fenomen som kallas koherent spridning. När laserljus träffar en nanopartikel blir nanopartikeln i huvudsak polariserad så att den följer svängningarna av ljusets elektromagnetiska vågor.
"Som en konsekvens svänger allt ljus som sprids från partikeln i fas med den inkommande lasern", förklarar teammedlemmen Uros Delic av University of Vienna. "Ljus som sprids från en partikel kan störa ljuset som fångar den andra partikeln. Om fasen mellan dessa ljusfält kan ställas in, så kan styrkan och karaktären hos krafterna mellan partiklarna det också.”
För att reta ut detta beteende, satte teammedlemmar i Wien upp två parallella optiska pincett med en rumslig ljusmodulator, som är en flytande kristallskärm som kan dela eller forma laserstrålen. "Partiklarna fångas till en början nära varandra för att se hur de interagerar via ljuset som studsar av dem - det vill säga hur de binder optiskt", förklarar Delic. "Sättet att göra det är att observera hur deras oscillationsfrekvenser när vi sätter dem nära: ju mer de förändras, desto starkare interaktion."
Tack vare teoretiska beräkningar av sina kollegor i Duisburg fann forskarna att interaktionerna kan bli icke-ömsesidiga för en specifik miljö. Detta fynd bekräftades av observationer i laboratoriet, där det visade sig att interaktionen mellan partiklarna var mer komplex än väntat.
"Ett radikalt nytt verktyg"
"Vårt experiment ger ett radikalt nytt verktyg för att kontrollera och utforska interaktionen mellan svävande nanoobjekt," berättar Delic och Stickler Fysikvärlden. "Nivån på uppnådd kontroll och funktion i kvantregimen öppnar många intressanta forskningsvägar, till exempel att studera komplexa fenomen i multipartikelsystem."
Optisk pincett håller nanopartiklar i superfluid helium
Forskarna säger att de nu kommer att försöka skala upp sin teknik så att den kan utökas till många svävande nanopartiklar. "De avstämbara interaktionerna kommer att tillåta oss att programmera kopplingar mellan partiklar och utforska hur de tillsammans rör sig och bildar mönster," säger Delic och Stickler.
Den aktuella studien är publicerad i Vetenskap.
