Физики научились управлять несимметричным взаимодействием левитирующих частиц

Физики с помощью лазерного пинцета научились управлять взаимодействием между двумя связанными левитирующими наночастицами, которые действуют друг на друга с разной силой. Меняя параметры лазерного пучка, ученые контролировали положение частиц, амплитуду и фазу их колебаний и силу взаимодействия. Метод позволит исследовать топологические фазы и моделировать квантовые системы, пишут исследователи в Science.

С помощью оптической ловушки в лазерном пучке можно подвешивать в неподвижном состоянии микроскопические частицы размером от 10 нанометров до 10 микрометров. При этом одним пинцетом физики могут удерживать сразу несколько частиц — для этого лазерный пучок разделяют на несколько, каждый из которых становится отдельной ловушкой для одной частицы. Захваченные частицы поляризуются и электростатически взаимодействуют друг с другом, образуя связанную систему. По сути, полученная структура напоминает систему шариков на пружинках (осцилляторов), а сам эффект называется оптическим связыванием — воздействие на одну частицу приводит к изменению состояния других.

Меняя параметры лазера, можно управлять и взаимодействием между частицами — в простейшей системе из двух связанных частиц они действуют друг на друга одинаково и изменение силы действия автоматически меняет силы противодействия. Однако в лазерных ловушках возможны более интересные конфигурации с невзаимным влиянием частиц. В этом случае частицы действуют друг на друга с разной силой — например из-за запаздывания фазы в оптической среде, через которую передается электростатическое взаимодействие. Такие системы подробно не изучались, тем более не было возможности управлять взаимодействием частиц в них.

Решить эту проблему удалось ученым из группы Маркуса Аспельмайера (Markus Aspelmeyer) из Венского университета: они научились регулировать оптические частоту, амплитуду и силу взаимодействия в оптической среде между двумя рэлеевскими частицами — размер которых меньше длины волны облучающего света. В качестве образцов физики использовали частицы из оксида кремния размером 105 нанометров.

Чтобы поймать две частицы, авторы пропускали лазерный свет через пространственный модулятор, который разделял свет на два пучка, а затем фокусировали пучки в область нахождения частиц. Под действием лазера каждая частица в ловушке становится индуцированным диполем. Суммарное поле, действующее на нее, складывается из электрического поля лазера и когерентно рассеянного света другой частицы. При этом ученые создавали разность фаз между падающими лазерными пучками, таким образом, действие поля на один диполь запаздывает по отношению к действию поля на другой. Это приводит к тому, что силы, действующие на каждую частицу со стороны соседней, также различаются по фазе. Так физики создали систему, в которой действие диполей друг на друга не симметрично.

Получившаяся система представляла собой два связанных осциллятора, взаимодействие которых можно полностью контролировать с помощью лазера. Например, частота и амплитуда собственных колебаний определяются оптической разностью фаз и расстоянием между пучками (по сути определяет расстояние между частицами). Еще один важный параметр, который измеряли и варьировали ученые, — коэффициент связи осцилляторов, то есть разность между частотами резонансных колебаний в фазе и противофазе. Этот показатель полностью определяется поляризуемостью диполей, массой частиц, расстоянием между ними и мощностью пучков.

Меняя параметры лазера, физики влияли на коэффициент связи и таким образом могли сдвигать и усиливать колебания системы двух дипольных частиц. Кроме того, ученым удалось исследовать и электростатическое отталкивание между ними. Для этого они подавили дипольное излучение, изменив направление поляризации лазера.

По словам авторов работы, разработанный метод позволит создать контролируемые системы из множества несимметрично взаимодействующих наночастиц. Ученые предполагают, что применять его можно будет, например, для квантового моделирования и в квантовых сенсорах.

Благодаря простоте и универсальности оптические пинцеты подходят для решения самых разных задач, например, умеют собирать искусственные клетки в упорядоченные структуры и вынуждают атомы рекомбинировать.
Илья Бения