Коли дві частинки левітують у фокусі лазерного променя, світло відбивається вперед і назад між ними, утворюючи стоячі хвилі. Взаємодія з цими стоячими хвилями призводить до самовирівнювання частинок у явищі, відомому як оптичний зв’язок. Тепер дослідники з Віденського університету, Австрійської академії наук і Університету Дуйсбурга-Ессена, Німеччина, вперше змогли повністю контролювати цей зв’язок між двома оптично левітованими наночастинками в паралельних лазерних променях. Досягнення забезпечує нову платформу для дослідження колективної квантової динаміки з двома або більше частинками.
У своїй роботі дослідники показали, що, налаштовуючи властивості лазерного променя, вони можуть контролювати не тільки силу взаємодії між частинками, але й те, чи ця взаємодія була привабливою, відштовхуючою чи навіть невзаємною. «Невзаємність означає, що одна частинка штовхає іншу, але інша не штовхає назад», — пояснює член команди Бенджамін Стіклер в Університет Дуйсбург-Ессен. «Хоча така поведінка, здавалося б, порушує третій закон Ньютона в системі, яка виглядає досить симетричною, це не так, тому що деякий імпульс переноситься світловим полем».
Когерентне розсіювання
Попередні дослідження оптично зв’язаних частинок не описували таку невзаємну поведінку, але команда каже, що вона походить від явища, відомого як когерентне розсіювання. По суті, коли лазерне світло потрапляє на наночастинку, наночастинка поляризується так, що слідує за коливаннями електромагнітних хвиль світла.
«Як наслідок, усе світло, яке розсіюється від частинки, коливається у фазі з вхідним лазером», — пояснює член команди. Урош Деліч в Віденський університет. «Світло, яке розсіюється від однієї частинки, може перешкоджати світлу, яке затримує іншу частинку. Якщо фазу між цими світловими полями можна налаштувати, то силу і характер сил між частинками також можна налаштувати».
Щоб перевірити цю поведінку, члени команди у Відні встановили два паралельних оптичних пінцета з просторовим модулятором світла, який є рідкокристалічним дисплеєм, який може розділяти або формувати лазерний промінь. «Спочатку частинки захоплюються близько одна до одної, щоб побачити, як вони взаємодіють через світло, що відбивається від них, тобто як вони оптично зв’язуються», — пояснює Делік. «Спосіб зробити це — спостерігати, як їхні частоти коливань, коли ми їх наближаємо: чим більше вони змінюються, тим сильніша взаємодія».
Завдяки теоретичним розрахункам їхніх колег із Дуйсбурга дослідники виявили, що взаємодії можуть стати невзаємними для певних умов. Це відкриття було підтверджено спостереженнями в лабораторії, де виявилося, що взаємодія між частинками була складнішою, ніж передбачалося.
«Кардинально новий інструмент»
«Наш експеримент надає радикально новий інструмент для контролю та дослідження взаємодії між левітованими нанооб’єктами», — розповідають Делік і Стіклер. Світ фізики. «Рівень досягнутого контролю та роботи в квантовому режимі відкриває багато цікавих шляхів дослідження, наприклад, вивчення складних явищ у багаточастинкових системах».
Оптичний пінцет утримує наночастинки в надплинному гелії
Дослідники кажуть, що тепер вони спробують розширити свою техніку, щоб її можна було поширити на багато левітованих наночастинок. «Регульовані взаємодії дозволять нам програмувати зв’язки між частинками та досліджувати, як вони разом рухаються та утворюють візерунки», — кажуть Делік та Стіклер.
Це дослідження опубліковано в наука.
