Naukowa ilustracja eksperymentu, w którym dwie cząstki w dwóch wiązkach laserowych są sprzęgane niewzajemnie poprzez światło rozproszone między nimi. Ta interakcja powoduje, że poruszają się one po określonych orbitach, tak że cząstki podążają za sobą (żółte kółka to eksperymentalne zapisy ruchu każdej cząstki). Źródło: Grafika Equinox
Analogia drapieżnika do ofiary: włączona nowa interakcja między cząsteczkami
Wykorzystując dwie optycznie uwięzione nanocząstki szklane, badacze zaobserwowali nową zbiorową, niehermitowską i nieliniową dynamikę napędzaną niewzajemnymi interakcjami. Wkład ten rozszerza tradycyjną lewitację optyczną za pomocą układów pęset, włączając tak zwane interakcje niekonserwatywne. Ich odkrycia, poparte modelem analitycznym opracowanym przez współpracowników z Uniwersytetu w Ulm i Uniwersytetu Duisburg-Essen, opublikowano niedawno w czasopiśmie Fizyka Przyrody.
Zrozumienie interakcji niewzajemnych
Podstawowe siły, takie jak grawitacja i elektromagnetyzm, są wzajemne, co oznacza, że dwa obiekty albo się przyciągają, albo odpychają. Jednakże w przypadku niektórych bardziej złożonych interakcji zachodzących w przyrodzie symetria ta zostaje zerwana i istnieje pewna forma niewzajemności. Na przykład interakcja między drapieżnikiem a ofiarą jest z natury niewzajemna, ponieważ drapieżnik chce złapać ofiarę (jest do niej przyciągany), a ta chce uciec (jest odpychana).
Dynamika niehermitowska opisuje podobne układy nieodwrotne w mechanice kwantowej poprzez uwzględnienie rozpraszania, wzmocnienia i interakcji niekonserwatywnych. Dynamikę tę obserwuje się na platformach fotonicznych, atomowych, elektrycznych i optomechanicznych i mogą one potencjalnie znaleźć zastosowanie w wykrywaniu i badaniu otwartych układów kwantowych. Obecnie zespół Uniwersytetu Wiedeńskiego poczynił pierwsze konkretne kroki w tym kierunku, obserwując nieliniową i niehermitowską dynamikę w przypadku niewzajemnie sprzężonych nanocząstek.
Blat i szkło
Naukowcy pod kierunkiem Uroša Delića z Wiedeńskiego Centrum Nauki i Technologii Kwantowej (VCQ) badacze opracowali eksperyment stołowy, w którym dwie szklane nanocząstki oscylują w odrębnych pęsetach optycznych, oddziałując tak, jakby jedna była drapieżnikiem, a druga ofiarą.
Pęseta optyczna, technika zapoczątkowana przez laureata Nagrody Nobla w 2018 r. Arthura Ashkina, izoluje ruch cząstek od otoczenia i zapewnia duże możliwości przestrajania systemu. Poprzednie eksperymenty wykazały, że blisko rozmieszczone cząstki rozpraszają światło pęsety ku sobie, co prowadzi do zakłóceń tworzących siły optyczne, które mogą być niewzajemne.
Naukowa ilustracja eksperymentu, w którym dwie cząstki w dwóch wiązkach laserowych są sprzęgane niewzajemnie poprzez światło rozproszone między nimi. Ta interakcja powoduje, że poruszają się one po określonych orbitach, tak że cząstki podążają za sobą (żółte kółka to eksperymentalne zapisy ruchu każdej cząstki). Źródło: Grafika Equinox
Strojenie faz wiązki laserowej
W tym badaniu naukowcy dostroili fazy wiązki laserowej i odległość między cząstkami, aby kontrolować interakcje. „Najbardziej podoba mi się w tym to, że sterujemy modelem fizycznym za pomocą komputera, co jest tak proste, jak programowanie gry komputerowej” – mówi Manuel Reisenbauer, doktorant w zespole.
W rezultacie wytworzyły konstruktywną interferencję wokół jednej cząstki i destrukcyjną interferencję wokół drugiej. Stworzyło to pętlę pozytywnego sprzężenia zwrotnego przypominającą dynamikę ucieczki.
„Niewielkie przemieszczenie jednej cząstki wprawia w ruch drugą, co z kolei wywiera jeszcze większą siłę” – wyjaśnia Uroš Delić, główny autor artykułu.
Zespół opisał ruch cząstek w odpowiednich pęsetach bez interakcji jako analogiczny do ruchu wahadłowego. Kiedy zastosowano interakcje antywzajemne, „wahania” zaczęły następować po sobie, łamiąc symetrię odwrócenia parytetu w czasie. Najprościej można to zobaczyć, odtwarzając „film” od tyłu: używając analogii drapieżnik-ofiara, cząsteczki wydają się odwracać role.
Wzmocniona amplituda
Pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego wynikająca z oddziaływania przeciwwzajemnego również wzmocniła amplitudy wahań obu cząstek. Kiedy interakcja stała się silniejsza niż tarcie, cząstki kołysały się w sposób ciągły, utrzymując stałą amplitudę oscylacji, wykazując dynamikę nieliniową.
„Ten system jest wyjątkowy, ponieważ charakteryzuje się siłami niewzajemnymi i nieliniowymi, podobnie jak w wielu naturalnych przykładach” – mówi Benjamin Stickler z Uniwersytetu w Ulm, główny teoretyk pracy. „Dynamika spowodowała fazę cyklu granicznego, w której ruchy cząstek przypominają wahania obracające się całkowicie wokół górnej belki, a jednocześnie podążają za sobą”.
Rozwiązanie cyklu granicznego to ogólna koncepcja spotykana w wielu dyscyplinach, w tym w fizyce laserów, rysująca analogie między ruchem nanomechanicznym a dynamiką lasera.
Ogranicz fazę cyklu i zastosowania
„Byliśmy pod wrażeniem dobrej zgodności między modelem teoretycznym a danymi eksperymentalnymi”, mówi Uroš Delić. „To sugeruje, że nasz system jest idealny do obserwacji jeszcze bogatszej zbiorowej, niewzajemnej dynamiki podczas łapania większych zestawów koralików”.
Autorzy uważają, że siły niewzajemne będą miały liczne zastosowania w wykrywaniu siły i momentu obrotowego. Ponadto połączenie tych wyników z metodami wprowadzania ruchu uwięzionych kulek do reżimu kwantowego może otworzyć nowe badania nad nieoddziałującymi wzajemnie kwantowymi układami kilku ciał.
Odniesienie: „Non-hermitowska dynamika i niewzajemność optycznie sprzężonych nanocząstek” autorstwa Manuela Reisenbauera, Henninga Rudolpha, Livii Egyed, Klausa Hornbergera, Antona V. Zasedateleva, Murada Abuzarli, Benjamina A. Sticklera i Uroša Delića, 25 lipca 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02589-8
