Джейкоб Ризер работает над экспериментом, который показал невзаимное оптическое взаимодействие между двумя наночастицами, захваченными оптическим путем. Авторы и права: Юрие Короли, Венский университет.

Представьте себе частицы пыли, беспорядочно плавающие в комнате. При включении лазера на частицы воздействуют силы света, и как только частица подойдет слишком близко, она попадет в фокус луча. Это основа новаторской работы Артура Ашкина, получившей Нобелевскую премию по оптическому пинцету. Когда две или более частиц находятся поблизости, свет может отражаться туда и обратно между ними, образуя стоячие световые волны, в которых частицы самовыравниваются, как кристалл частиц, связанных светом. Это явление, также называемое оптическим связыванием, известно и изучается уже более 30 лет.

Для исследователей из Вены стало большим сюрпризом, когда они увидели совершенно другое поведение, чем ожидалось при изучении сил между двумя стеклянными наночастицами. Они могли не только изменить силу и знак силы связи, но даже увидеть, как одна частица, скажем, левая, действует на другую, правую, без обратного действия правой на левую. То, что кажется нарушением третьего закона Ньютона (все, на что воздействуют, действует обратно с той же силой, но с противоположным знаком), является так называемым невзаимным поведением и возникает в ситуациях, когда система может отдавать энергию окружающей среде, в этом случае лазер. Чего-то явно не хватало в нашей нынешней теории оптического связывания.

Секрет этого нового поведения заключается в «когерентном рассеянии», феномене, который венские исследователи уже исследовали в последние годы. Когда лазерный луч попадает на наночастицу, вещество внутри частицы поляризуется и следует за колебаниями электромагнитной волны света. Как следствие, весь свет, рассеянный частицей, колеблется в фазе с падающим лазером. Волны, находящиеся в фазе, могут интерферировать. Недавно венские исследователи использовали этот интерференционный эффект, обеспечиваемый когерентным рассеянием, чтобы впервые охладить одиночную наночастицу при комнатной температуре до ее основного квантового состояния движения.

Когда Урош Делич, старший научный сотрудник группы Маркуса Аспельмейера из Венского университета и первый автор предыдущей работы по охлаждению, начал применять когерентное рассеяние к двум частицам, он понял, что возникают дополнительные интерференционные эффекты. «Свет, рассеянный одной частицей, может мешать свету, задерживающему другую частицу», — объясняет Делич. «Если можно настроить фазу между этими световыми полями, то можно настроить силу и характер сил между частицами».

Для одного набора фаз восстанавливается известная оптическая связь. Однако для других фаз возникают ранее не наблюдаемые эффекты, такие как невзаимные силы. «Оказывается, предыдущие теории не принимали во внимание ни когерентное рассеяние, ни тот факт, что фотоны также теряются. Когда вы добавляете эти два процесса, вы получаете гораздо более богатые взаимодействия, чем предполагалось», — говорит Бенджамин Стиклер, член команды из Германии, работающий над уточненном теоретическом описанием: «… и прошлые эксперименты также не были чувствительны к этим эффектам».

Венская команда хотела изменить это и решила исследовать эти новые световые силы в эксперименте. Для этого они использовали один лазер для генерации двух оптических лучей, каждый из которых улавливал одну стеклянную наночастицу размером около 200 нм (примерно в 1000 раз меньше, чем типичная песчинка). В своем эксперименте они смогли изменить не только расстояние и интенсивность ловушек, но и относительную фазу между ними. Положение каждой частицы колеблется с частотой, заданной ловушкой, и его можно с высокой точностью контролировать в эксперименте. Поскольку каждая сила , действующая на захваченную частицу, изменяет эту частоту, можно отслеживать силы между ними при изменении фазы и расстояния.

Чтобы убедиться, что силы индуцируются светом, а не газом между частицами, эксперимент был проведен в вакууме. Таким образом они могли подтвердить наличие новых сил, индуцированных светом, между захваченными частицами. «Взаимодействия, которые мы видим, более чем в 10 раз больше, чем ожидалось от обычного оптического связывания», — говорит доктор философии, студент Якоб Ризер, первый автор исследования. «И мы видим четкие сигнатуры невзаимных сил, когда меняем фазы лазера, как и предсказывает наша новая модель».

Исследователи считают, что их выводы приведут к новым способам изучения сложных явлений в многочастичных системах. «Способ понять, что происходит в действительно сложных системах, обычно заключается в изучении модельных систем с хорошо контролируемыми взаимодействиями», — говорит ведущий исследователь Урош Делич. «Самое интересное здесь то, что мы нашли совершенно новый набор инструментов для управления взаимодействиями в массивах левитирующих частиц». Исследователи черпают вдохновение также из атомной физики, где много лет назад возможность управлять взаимодействием между атомами в оптических решетках положила начало области квантовых симуляторов. «Возможность применить это сейчас на уровне твердотельных систем может изменить правила игры».