Analogia drapieżnika i ofiary: Nowa interakcja między cząsteczkami
Wykorzystując dwie optycznie uwięzione szklane nanocząsteczki, badacze zaobserwowali nową kolektywną niehermitowską i nieliniową dynamikę napędzaną przez niewzajemne oddziaływania. Ten wkład rozszerza tradycyjną lewitację optyczną z układami pęset, włączając tak zwane oddziaływania niekonserwatywne. Ich odkrycia, poparte modelem analitycznym opracowanym przez współpracowników z Uniwersytetu w Ulm i Uniwersytetu Duisburg-Essen, zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Nature Physics.
Podstawowe siły, takie jak grawitacja i elektromagnetyzm, są wzajemne, co oznacza, że dwa obiekty albo się przyciągają, albo odpychają. Jednak w przypadku bardziej złożonych oddziaływań występujących w naturze symetria ta jest złamana i istnieje pewna forma niewzajemności. Na przykład oddziaływanie między drapieżnikiem a ofiarą jest z natury niewzajemne, ponieważ drapieżnik chce złapać (jest przyciągany do) ofiarę, a ta druga chce uciec (jest odpychana).
Dynamika niehermitowska opisuje podobne nieodwzajemnione układy w mechanice kwantowej poprzez włączenie rozpraszania, wzmocnienia i oddziaływań niekonserwatywnych. Tę dynamikę obserwuje się na platformach fotonicznych, atomowych, elektrycznych i optomechanicznych i ma ona potencjał do zastosowań czujnikowych i eksploracji otwartych układów kwantowych. Teraz zespół z Uniwersytetu Wiedeńskiego poczynił pierwsze konkretne kroki w tym kierunku, obserwując nieliniową i niehermitowską dynamikę z nieodwzajemnionymi sprzężonymi nanocząstkami.
Blat i szkło
Pod kierownictwem Uro¨ Delica z Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) naukowcy opracowali eksperyment stołowy, w którym dwie szklane nanocząsteczki oscylują w odrębnych optycznych pęsetach, oddziałując na siebie tak, jakby jedna była drapieżnikiem, a druga ofiarą. Optyczne pęsety, technika zapoczątkowana przez laureata Nagrody Nobla z 2018 r. Arthura Ashkina, izolują ruch cząstek od otoczenia i sprawiają, że system jest wysoce dostrajalny. Poprzednie eksperymenty wykazały, że blisko siebie rozmieszczone cząstki rozpraszają światło pęsety w swoim kierunku, co prowadzi do interferencji tworzących siły optyczne, które mogą być nieodwzajemnione.
W tym badaniu naukowcy dostroili fazy wiązki laserowej i odległość między cząsteczkami, aby kontrolować interakcje. „Najbardziej podoba mi się w tym to, że kontrolujemy model fizyczny za pomocą komputera, tak prosto jak programowanie gry komputerowej”, mówi Manuel Reisenbauer, doktorant w zespole. W rezultacie wytworzyli konstruktywną interferencję wokół jednej cząsteczki i destrukcyjną interferencję wokół drugiej. Stworzyło to dodatnią pętlę sprzężenia zwrotnego przypominającą dynamikę pościgu i ucieczki. „Niewielkie przemieszczenie jednej cząsteczki zmusza drugą do ruchu, co z kolei wywiera jeszcze większą siłę”, wyjaśnia Uro¨ Delic, główny autor artykułu.
Zespół opisał ruch cząstek w ich odpowiednich pęsetach bez interakcji jako analogiczny do huśtania. Gdy zastosowano oddziaływania anty-wzajemne, „huśtania” zaczęły następować po sobie, łamiąc symetrię odwrócenia parzystości i czasu. Najprostszym sposobem, aby to zobaczyć, jest po prostu odtworzenie „filmu” od tyłu: używając analogii drapieżnik-ofiara, cząstki wydają się odwracać role.
Wzmocniona amplituda
Pętla sprzężenia zwrotnego dodatniego z oddziaływania anty-wzajemnego również wzmacniała amplitudy wahań obu cząstek. Gdy oddziaływanie stało się silniejsze niż tarcie, cząstki wahały się nieprzerwanie, utrzymując stałą amplitudę oscylacji, demonstrując dynamikę nieliniową. „Ten układ jest wyjątkowy, ponieważ charakteryzuje się siłami niewzajemnymi i nieliniowymi, podobnie jak wiele naturalnych przykładów” — mówi Benjamin Stickler z Uniwersytetu w Ulm, główny teoretyk w tej pracy. „Dynamika doprowadziła do fazy cyklu granicznego, w której ruchy cząstek przypominają wahania obracające się w pełni wokół górnej belki, a jednocześnie podążające za sobą”. Rozwiązanie cyklu granicznego jest ogólną koncepcją występującą w wielu dyscyplinach, w tym w fizyce laserowej, rysującą analogie między ruchem nanomechanicznym a dynamiką lasera.
„Byliśmy pod wrażeniem dobrej zgodności między modelem teoretycznym a danymi eksperymentalnymi” — mówi Uro¨ Delic. „To sugeruje, że nasz system jest idealny do obserwowania jeszcze bogatszych kolektywnych nieodwzajemnionych dynamik podczas uwięzienia większych zespołów koralików”. Autorzy uważają, że nieodwzajemnione siły znajdą liczne zastosowania w wykrywaniu siły i momentu obrotowego. Ponadto połączenie tych wyników z metodami wprowadzania uwięzionego ruchu koralików do reżimu kwantowego może otworzyć nowe badania nad nieodwzajemnionymi układami kwantowymi o kilku ciałach.
Oryginalna publikacja:
Manuel Reisenbauer, Henning Rudolph, Livia Egyed, Klaus Hornberger, Murad Abuzarli, Benjamin A. Stickler i Uro¨ Delic. „Niehermitowska dynamika i niewzajemność optycznie sprzężonych nanocząstek”. Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567’024 -02589-8
Rys. 1: Ilustracja naukowa eksperymentu, w którym dwie cząstki w dwóch wiązkach laserowych są sprzężone nieodwrotnie poprzez światło rozproszone między nimi. Ta interakcja sprawia, że poruszają się one po określonych orbitach, tak że cząstki podążają za sobą (żółte kółka to eksperymentalne zapisy ruchu każdej cząstki). C: Equinox Graphics
