Un equipo de investigadores de la Universidad de Viena, la Academia de Ciencias de Austria y la Universidad de Duisburg-Essen ha encontrado un nuevo mecanismo que altera fundamentalmente la interacción entre nanopartículas levitadas ópticamente. Su experimento demuestra niveles de control previamente inalcanzables sobre el acoplamiento en matrices de partículas, creando así una nueva plataforma para estudiar fenómenos físicos complejos. Los resultados se publican en la edición de esta semana de Science .

Imagine partículas de polvo flotando aleatoriamente en la habitación. Cuando se enciende un láser, las partículas experimentarán fuerzas de luz y, una vez que una partícula se acerque demasiado, quedará atrapada en el foco del haz. Esta es la base del trabajo pionero de las pinzas ópticas de Arthur Ashkin. Cuando dos o más partículas están cerca, la luz puede reflejarse entre ellas para formar ondas de luz estacionarias, en las que las partículas se autoalinean como un cristal de partículas unidas por la luz. Este fenómeno, también llamado unión óptica, se conoce y estudia desde hace más de 30 años.

Fue una gran sorpresa para los investigadores en Viena cuando vieron un comportamiento completamente diferente al esperado al estudiar las fuerzas entre dos nanopartículas de vidrio. No solo podían cambiar la intensidad y el signo de la fuerza vinculante, sino que incluso podían ver una partícula, digamos la izquierda, actuando sobre la otra, la derecha, sin que la derecha actuara sobre la izquierda. Lo que parece una violación de la tercera ley de Newton (todo sobre lo que se actúa actúa con la misma fuerza pero de signo opuesto) es el llamado comportamiento no recíproco y ocurre en situaciones en las que un sistema puede perder energía hacia su entorno, en este caso. caso del láser. Obviamente, faltaba algo en nuestra teoría actual de enlace óptico.

El truco secreto detrás de este nuevo comportamiento es la "dispersión coherente", un fenómeno que los investigadores de Viena ya han estado investigando durante los últimos años. Cuando la luz láser golpea una nanopartícula, la materia dentro de la partícula se polariza y sigue las oscilaciones de la onda electromagnética de la luz. Como consecuencia, toda la luz que se dispersa desde la partícula oscila en fase con el láser entrante. Las ondas que están en fase pueden interferir. Recientemente, los investigadores de Viena utilizaron este efecto de interferencia proporcionado por la dispersión coherente para enfriar por primera vez una sola nanopartícula a temperatura ambiente hasta su estado de movimiento fundamental cuántico.

Cuando Uroš Delić, investigador principal del grupo de Markus Aspelmeyer en la Universidad de Viena y primer autor del trabajo de enfriamiento anterior, comenzó a aplicar la dispersión coherente a dos partículas, se dio cuenta de que se producen efectos de interferencia adicionales. "La luz que se dispersa desde una partícula puede interferir con la luz que atrapa a la otra partícula", explica Delić. "Si se puede ajustar la fase entre estos campos de luz, también se puede ajustar la fuerza y ​​el carácter de las fuerzas entre las partículas".

Para un conjunto de fases, se recupera la conocida unión óptica. Para otras fases, sin embargo, ocurren efectos no observados previamente, como fuerzas no recíprocas. "Resulta que las teorías anteriores no tenían en cuenta la dispersión coherente ni el hecho de que los fotones también se pierden. Cuando se suman estos dos procesos, se obtienen interacciones mucho más ricas de lo que se creía posible", dice Benjamin Stickler, miembro del equipo de Alemania que trabaja en la descripción teórica refinada:"... y los experimentos anteriores tampoco fueron sensibles a estos efectos".

El equipo de Viena quería cambiar eso y se dispuso a explorar estas nuevas fuerzas inducidas por la luz en un experimento. Para lograrlo, utilizaron un láser para generar dos haces ópticos, cada uno de los cuales atrapaba una única nanopartícula de vidrio de unos 200 nm de tamaño (unas 1000 veces más pequeña que un grano de arena típico). En su experimento, pudieron cambiar no solo la distancia y la intensidad de los haces trampa, sino también la fase relativa entre ellos. La posición de cada partícula oscila a la frecuencia dada por la trampa y puede ser monitoreada con alta precisión en el experimento. Dado que cada fuerza sobre la partícula atrapada cambia esta frecuencia, es posible monitorear las fuerzas entre ellas mientras se cambia la fase y la distancia.

Para asegurarse de que las fuerzas sean inducidas por la luz y no por el gas entre las partículas, el experimento se realizó en el vacío. De esa forma pudieron confirmar la presencia de las nuevas fuerzas inducidas por la luz entre las partículas atrapadas. "Los acoplamientos que vemos son más de 10 veces más grandes de lo esperado con la unión óptica convencional", dice Ph.D. estudiante Jakob Rieser, el primer autor del estudio. "Y vemos firmas claras de fuerzas no recíprocas cuando cambiamos las fases del láser, todo como lo predijo nuestro nuevo modelo".

Los investigadores creen que sus conocimientos conducirán a nuevas formas de estudiar fenómenos complejos en sistemas multipartícula. "La forma de comprender lo que sucede en los sistemas genuinamente complejos suele ser estudiar sistemas modelo con interacciones bien controladas", dice el investigador principal Uroš Delić. "Lo realmente fascinante aquí es que hemos encontrado una caja de herramientas completamente nueva para controlar las interacciones en matrices de partículas levitadas". Los investigadores se inspiran también en la física atómica donde, hace muchos años, la capacidad de controlar las interacciones entre átomos en redes ópticas básicamente inició el campo de los simuladores cuánticos. "Ser capaz de aplicar esto ahora en el nivel de los sistemas de estado sólido podría ser un cambio de juego similar". + Explora más

Medición de la posición de una nanopartícula levitada a través de la interferencia con su imagen especular