Glasnanopartikler viser uventet kobling, når de svæver med laserlys

Et team af forskere ved universitetet i Wien, det østrigske videnskabsakademi og universitetet i Duisburg-Essen har fundet en ny mekanisme, der fundamentalt ændrer interaktionen mellem optisk svævende nanopartikler. Deres eksperiment demonstrerer tidligere uopnåelige niveauer af kontrol over koblingen i arrays af partikler og skaber derved en ny platform til at studere komplekse fysiske fænomener. Resultaterne er offentliggjort i denne uges udgave af Science .

Forestil dig, at støvpartikler flyder tilfældigt rundt i rummet. Når en laser er tændt, vil partiklerne opleve lyskræfter, og når en partikel kommer for tæt på, vil den blive fanget i strålens fokus. Dette er grundlaget for Arthur Ashkins banebrydende Nobelprisarbejde med optisk pincet. Når to eller flere partikler er i nærheden, kan lys reflekteres frem og tilbage mellem dem for at danne stående lysbølger, hvor partiklerne selv justerer sig som en krystal af partikler bundet af lys. Dette fænomen, også kaldet optisk binding, har været kendt og undersøgt i mere end 30 år.

Det kom som noget af en overraskelse for forskerne i Wien, da de så en helt anden adfærd end forventet, når de studerede kræfter mellem to glasnanopartikler. Ikke alene kunne de ændre styrken og tegnet på den bindende kraft, men de kunne endda se en partikel, f.eks. venstre, virke på den anden, højre, uden at højre virke tilbage på venstre side. Hvad der virker som en overtrædelse af Newtons tredje lov (alt, der bliver handlet på, virker tilbage med samme styrke, men modsat fortegn) er såkaldt ikke-gensidig adfærd og opstår i situationer, hvor et system kan miste energi til sit miljø, i denne tilfælde laseren. Der manglede åbenbart noget i vores nuværende teori om optisk binding.

Det hemmelige trick bag denne nye adfærd er "kohærent spredning", et fænomen, som forskerne i Wien allerede har undersøgt i løbet af de sidste år. Når laserlys rammer en nanopartikel, bliver stoffet inde i partiklen polariseret og følger oscillationerne af lysets elektromagnetiske bølge. Som følge heraf svinger alt lys, der er spredt fra partiklen, i fase med den indkommende laser. Bølger, der er i fase, kan bringes til at forstyrre. For nylig brugte forskerne i Wien denne interferenseffekt, der er tilvejebragt af kohærent spredning, til for første gang at afkøle en enkelt nanopartikel ved stuetemperatur til dens kvantejordiske bevægelsestilstand.

Da Uroš Delić, en seniorforsker i gruppen af ​​Markus Aspelmeyer ved universitetet i Wien og førsteforfatter af det tidligere kølearbejde, begyndte at anvende kohærent spredning på to partikler, indså han, at der opstår yderligere interferenseffekter. "Lys, der er spredt fra en partikel, kan forstyrre lyset, der fanger den anden partikel," forklarer Delić. "Hvis fasen mellem disse lysfelter kan indstilles, kan styrken og karakteren af ​​kræfterne mellem partiklerne også."

For et sæt faser genvinder man den velkendte optiske binding. For andre faser forekommer imidlertid tidligere uobserverede effekter såsom ikke-gensidige kræfter. "Det viser sig, at tidligere teorier hverken tog højde for sammenhængende spredning eller det faktum, at fotoner også går tabt. Når du tilføjer disse to processer, får du meget rigere interaktioner, end man havde troet muligt," siger Benjamin Stickler, et teammedlem fra Tyskland, der arbejder. på den raffinerede teoretiske beskrivelse:"...og tidligere eksperimenter var heller ikke følsomme over for disse effekter."

Wien-holdet ønskede at ændre det og satte sig for at udforske disse nye lys-inducerede kræfter i et eksperiment. For at opnå dette brugte de en laser til at generere to optiske stråler, der hver fangede en enkelt glasnanopartikel på omkring 200 nm i størrelse (ca. 1.000 gange mindre end et typisk sandkorn). I deres eksperiment var de i stand til at ændre ikke kun afstanden og intensiteten af ​​fældestrålerne, men også den relative fase mellem dem. Hver partikels position svinger med den frekvens, som fælden giver og kan overvåges med høj præcision i eksperimentet. Da hver kraft på den fangede partikel ændrer denne frekvens, er det muligt at overvåge kræfterne mellem dem, mens fase og afstand ændres.

For at sikre, at kræfterne induceres af lys og ikke af gassen mellem partiklerne, blev forsøget udført i vakuum. På den måde kunne de bekræfte tilstedeværelsen af ​​de nye lysinducerede kræfter mellem de fangede partikler. "Koblingerne, som vi ser, er mere end 10 gange større end forventet fra konventionel optisk binding," siger Ph.D. studerende Jakob Rieser, undersøgelsens første forfatter. "Og vi ser tydelige signaturer fra ikke-gensidige kræfter, når vi ændrer laserfaserne, alt sammen som forudsagt fra vores nye model."

Forskerne mener, at deres indsigt vil føre til nye måder at studere komplekse fænomener i multipartikelsystemer på. "Måden til at forstå, hvad der foregår i virkelig komplekse systemer, er typisk at studere modelsystemer med velkontrollerede interaktioner," siger hovedforsker Uroš Delić. "Det virkelig fascinerende her er, at vi har fundet en helt ny værktøjskasse til at kontrollere interaktioner i rækker af leviterede partikler." Forskerne henter også noget af deres inspiration fra atomfysik, hvor evnen til at kontrollere interaktioner mellem atomer i optiske gitter for mange år siden dybest set startede feltet med kvantesimulatorer. "At være i stand til at anvende dette nu på niveau med solid state-systemer kunne være en lignende game changer." + Udforsk yderligere

Positionsmåling af en leviteret nanopartikel via interferens med dens spejlbillede