Ett team av forskare vid universitetet i Wien, Österrikiska vetenskapsakademin och universitetet i Duisburg-Essen har hittat en ny mekanism som i grunden förändrar interaktionen mellan optiskt svävande nanopartiklar. Deras experiment visar tidigare ouppnåeliga nivåer av kontroll över kopplingen i arrayer av partiklar, vilket skapar en ny plattform för att studera komplexa fysiska fenomen. Resultaten publiceras i veckans nummer av Science .

Föreställ dig dammpartiklar som slumpmässigt flyter runt i rummet. När en laser slås på kommer partiklarna att uppleva ljuskrafter och när en partikel kommer för nära kommer den att fångas i strålens fokus. Detta är grunden för Arthur Ashkins banbrytande Nobelprisarbete med optisk pincett. När två eller flera partiklar är i närheten kan ljus reflekteras fram och tillbaka mellan dem för att bilda stående ljusvågor, där partiklarna självinriktar sig som en kristall av partiklar bundna av ljus. Detta fenomen, även kallat optisk bindning, har varit känt och studerat i mer än 30 år.

Det kom som ganska överraskande för forskarna i Wien när de såg ett helt annat beteende än vad som förväntades när de studerade krafter mellan två glasnanopartiklar. Inte bara kunde de ändra styrkan och tecknet på den bindande kraften, utan de kunde till och med se en partikel, säg vänstern, verka på den andra, höger, utan att högern agerar tillbaka till vänster. Det som verkar vara ett brott mot Newtons tredje lag (allt som man agerar på agerar tillbaka med samma styrka men motsatt tecken) är så kallat icke-ömsesidigt beteende och uppstår i situationer där ett system kan förlora energi till sin omgivning, i detta fallet lasern. Något saknades uppenbarligen i vår nuvarande teori om optisk bindning.

Det hemliga tricket bakom detta nya beteende är "koherent spridning", ett fenomen som forskarna i Wien redan har undersökt under de senaste åren. När laserljus träffar en nanopartikel blir materialet inuti partikeln polariserat och följer svängningarna av ljusets elektromagnetiska våg. Som en konsekvens svänger allt ljus som sprids från partikeln i fas med den inkommande lasern. Vågor som är i fas kan fås att störa. Nyligen använde forskarna i Wien denna interferenseffekt som tillhandahålls av koherent spridning för att för första gången kyla en enskild nanopartikel vid rumstemperatur till dess kvantbaserade rörelsetillstånd.

När Uroš Delić, en senior forskare i gruppen av Markus Aspelmeyer vid universitetet i Wien och första författare till det tidigare kylningsarbetet, började tillämpa koherent spridning på två partiklar, insåg han att ytterligare interferenseffekter uppstår. "Ljus som sprids från en partikel kan störa ljuset som fångar den andra partikeln", förklarar Delić. "Om fasen mellan dessa ljusfält kan stämmas, så kan styrkan och karaktären hos krafterna mellan partiklarna."

För en uppsättning faser återvinner man den välkända optiska bindningen. För andra faser förekommer dock tidigare oobserverade effekter såsom icke-reciproka krafter. "Det visar sig att tidigare teorier varken tog hänsyn till koherent spridning eller det faktum att fotoner också går vilse. När man lägger till dessa två processer får man mycket rikare interaktioner än man trodde var möjligt", säger Benjamin Stickler, en teammedlem från Tyskland som arbetar. på den förfinade teoretiska beskrivningen:"...och tidigare experiment var inte heller känsliga för dessa effekter."

Wien-teamet ville ändra på det och gav sig i kast med att utforska dessa nya ljusinducerade krafter i ett experiment. För att uppnå detta använde de en laser för att generera två optiska strålar, var och en fångar en enda glasnanopartikel med en storlek på cirka 200 nm (cirka 1 000 gånger mindre än ett typiskt sandkorn). I sitt experiment kunde de ändra inte bara avståndet och intensiteten hos fällstrålarna utan även den relativa fasen mellan dem. Varje partikels position oscillerar med den frekvens som ges av fällan och kan övervakas med hög precision i experimentet. Eftersom varje kraft på den fångade partikeln ändrar denna frekvens, är det möjligt att övervaka krafterna mellan dem medan fas och avstånd ändras.

För att säkerställa att krafterna induceras av ljus och inte av gasen mellan partiklarna utfördes experimentet i vakuum. På så sätt kunde de bekräfta närvaron av de nya ljusinducerade krafterna mellan de fångade partiklarna. "Kopplingarna som vi ser är mer än 10 gånger större än förväntat från konventionell optisk bindning", säger Ph.D. student Jakob Rieser, studiens första författare. "Och vi ser tydliga signaturer från icke-ömsesidiga krafter när vi ändrar laserfaserna, allt som förutspåtts från vår nya modell."

Forskarna tror att deras insikter kommer att leda till nya sätt att studera komplexa fenomen i multipartikelsystem. "Sättet att förstå vad som händer i genuint komplexa system är vanligtvis att studera modellsystem med välkontrollerade interaktioner", säger huvudforskaren Uroš Delić. "Det riktigt fascinerande här är att vi har hittat en helt ny verktygslåda för att kontrollera interaktioner i uppsättningar av leviterade partiklar." Forskarna hämtar också en del av sin inspiration från atomfysik där förmågan att kontrollera interaktioner mellan atomer i optiska gitter för många år sedan i grunden startade kvantsimulatorerna. "Att kunna tillämpa detta nu på nivån av solid-state-system kan vara en liknande spelförändring." + Utforska vidare

Positionsmätning av en leviterad nanopartikel via interferens med dess spegelbild