Jakob Rieser lavora all'esperimento che ha mostrato un'interazione ottica non reciproca tra due nanoparticelle otticamente intrappolate. Credito:Iurie Coroli, Università di Vienna
Un team di ricercatori dell'Università di Vienna, dell'Accademia austriaca delle scienze e dell'Università di Duisburg-Essen hanno scoperto un nuovo meccanismo che altera sostanzialmente l'interazione tra le nanoparticelle otticamente levitate. Il loro esperimento dimostra livelli di controllo precedentemente irraggiungibili sull'accoppiamento in matrici di particelle, creando così una nuova piattaforma per studiare fenomeni fisici complessi. I risultati sono pubblicati nel numero di questa settimana di Scienza .
Immagina le particelle di polvere che fluttuano casualmente nella stanza. Quando un laser viene acceso, le particelle sperimenteranno le forze della luce e una volta che una particella si avvicina troppo sarà intrappolata nel fuoco del raggio. Questa è la base del lavoro pionieristico del premio Nobel di Arthur Ashkin sulle pinzette ottiche. Quando due o più particelle sono nelle vicinanze, la luce può essere riflessa avanti e indietro tra di loro per formare onde di luce stazionarie, in cui le particelle si autoallineano come un cristallo di particelle legato dalla luce. Questo fenomeno, chiamato anche legame ottico, è noto e studiato da più di 30 anni.
È stata una vera sorpresa per i ricercatori di Vienna quando hanno visto un comportamento completamente diverso da quello previsto durante lo studio delle forze tra due nanoparticelle di vetro. Non solo potevano cambiare la forza e il segno della forza vincolante, ma potevano persino vedere una particella, diciamo la sinistra, agire sull'altra, la destra, senza che la destra agisse di nuovo sulla sinistra. Quello che sembra una violazione della terza legge di Newton (tutto ciò su cui si agisce agisce con la stessa forza ma di segno opposto) è il cosiddetto comportamento non reciproco e si verifica in situazioni in cui un sistema può perdere energia nel suo ambiente, in questo caso il laser. Ovviamente mancava qualcosa nella nostra attuale teoria del binding ottico.
Il trucco segreto dietro questo nuovo comportamento è lo "scattering coerente", un fenomeno che i ricercatori di Vienna stanno già studiando negli ultimi anni. Quando la luce laser colpisce una nanoparticella, la materia all'interno della particella si polarizza e segue le oscillazioni dell'onda elettromagnetica della luce. Di conseguenza, tutta la luce che viene diffusa dalla particella oscilla in fase con il laser in arrivo. Le onde che sono in fase possono essere fatte interferire. Di recente, i ricercatori di Vienna hanno utilizzato questo effetto di interferenza fornito dallo scattering coerente per raffreddare per la prima volta una singola nanoparticella a temperatura ambiente fino al suo stato di moto fondamentale quantistico.
Quando Uroš Delić, ricercatore senior nel gruppo di Markus Aspelmeyer presso l'Università di Vienna e primo autore del precedente lavoro di raffreddamento, ha iniziato ad applicare lo scattering coerente a due particelle, si è reso conto che si verificano ulteriori effetti di interferenza. "La luce diffusa da una particella può interferire con la luce che intrappola l'altra particella", spiega Delić. "Se la fase tra questi campi di luce può essere sintonizzata, così possono la forza e il carattere delle forze tra le particelle".
Per un insieme di fasi, si recupera il noto legame ottico. Per altre fasi, invece, si verificano effetti precedentemente non osservati come forze non reciproche. "Si scopre che le teorie precedenti non tenevano in considerazione né lo scattering coerente né il fatto che anche i fotoni si perdessero. Quando si aggiungono questi due processi si ottengono interazioni molto più ricche di quanto si pensasse possibile", afferma Benjamin Stickler, un membro del team tedesco che lavora sulla raffinata descrizione teorica:"...e anche gli esperimenti passati non erano sensibili a questi effetti."
Il team di Vienna ha voluto cambiarlo e ha deciso di esplorare queste nuove forze indotte dalla luce in un esperimento. Per ottenere ciò, hanno utilizzato un laser per generare due fasci ottici, ognuno dei quali intrappola una singola nanoparticella di vetro di circa 200 nm (circa 1.000 volte più piccola di un tipico granello di sabbia). Nel loro esperimento sono stati in grado di modificare non solo la distanza e l'intensità dei fasci di trappole, ma anche la fase relativa tra di loro. La posizione di ogni particella oscilla alla frequenza data dalla trappola e può essere monitorata con alta precisione nell'esperimento. Poiché ogni forza sulla particella intrappolata cambia questa frequenza, è possibile monitorare le forze tra di loro mentre vengono modificate fase e distanza.
Per assicurarsi che le forze siano indotte dalla luce e non dal gas tra le particelle, l'esperimento è stato eseguito nel vuoto. In questo modo potrebbero confermare la presenza delle nuove forze indotte dalla luce tra le particelle intrappolate. "Gli accoppiamenti che vediamo sono più di 10 volte più grandi del previsto dal legame ottico convenzionale", afferma il dottorato di ricerca. studente Jakob Rieser, il primo autore dello studio. "E vediamo segni evidenti di forze non reciproche quando cambiamo le fasi del laser, il tutto come previsto dal nostro nuovo modello."
I ricercatori ritengono che le loro intuizioni porteranno a nuovi modi di studiare fenomeni complessi nei sistemi multiparticellari. "Il modo per capire cosa sta succedendo in sistemi veramente complessi è in genere studiare sistemi modello con interazioni ben controllate", afferma il ricercatore capo Uroš Delić. "La cosa davvero affascinante qui è che abbiamo trovato una cassetta degli attrezzi completamente nuova per controllare le interazioni in array di particelle levitate". I ricercatori traggono parte della loro ispirazione anche dalla fisica atomica dove, molti anni fa, la capacità di controllare le interazioni tra atomi nei reticoli ottici iniziò sostanzialmente il campo dei simulatori quantistici. "Essere in grado di applicarlo ora a livello di sistemi a stato solido potrebbe essere un cambio di gioco simile". + Esplora ulteriormente
