Een team van onderzoekers van de Universiteit van Wenen, de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Duisburg-Essen heeft een nieuw mechanisme gevonden dat de interactie tussen optisch zwevende nanodeeltjes fundamenteel verandert. Hun experiment demonstreert voorheen onbereikbare niveaus van controle over de koppeling in arrays van deeltjes, waardoor een nieuw platform werd gecreëerd om complexe fysieke verschijnselen te bestuderen. De resultaten zijn deze week gepubliceerd in de uitgave van Science .

Stel je voor dat stofdeeltjes willekeurig in de kamer rondzweven. Wanneer een laser wordt ingeschakeld, zullen de deeltjes lichtkrachten ervaren en zodra een deeltje te dichtbij komt, wordt het gevangen in het brandpunt van de straal. Dit is de basis van Arthur Ashkin's baanbrekende Nobelprijs-werk van optische pincetten. Wanneer twee of meer deeltjes in de buurt zijn, kan licht heen en weer tussen hen worden gereflecteerd om staande lichtgolven te vormen, waarin de deeltjes zichzelf uitlijnen als een kristal van deeltjes die door licht zijn gebonden. Dit fenomeen, ook wel optische binding genoemd, is al meer dan 30 jaar bekend en bestudeerd.

Het kwam als een verrassing voor de onderzoekers in Wenen toen ze een heel ander gedrag zagen dan werd verwacht bij het bestuderen van krachten tussen twee glazen nanodeeltjes. Ze konden niet alleen de sterkte en het teken van de bindende kracht veranderen, maar ze konden zelfs het ene deeltje, laten we zeggen de linker, zien werken op de andere, rechts, zonder dat de rechter links terugwerkte. Wat lijkt op een schending van de derde wet van Newton (alles waarop wordt gereageerd, werkt terug met dezelfde kracht maar tegengesteld teken) is zogenaamd niet-wederkerig gedrag en treedt op in situaties waarin een systeem energie kan verliezen aan zijn omgeving, in deze geval de laser. Er ontbrak duidelijk iets in onze huidige theorie van optische binding.

De geheime truc achter dit nieuwe gedrag is 'coherente verstrooiing', een fenomeen dat de Weense onderzoekers de afgelopen jaren al hebben onderzocht. Wanneer laserlicht een nanodeeltje raakt, wordt de materie in het deeltje gepolariseerd en volgt het de oscillaties van de elektromagnetische golf van het licht. Als gevolg hiervan oscilleert al het licht dat door het deeltje wordt verstrooid in fase met de inkomende laser. Golven die in fase zijn, kunnen interfereren. Onlangs gebruikten de Weense onderzoekers dit interferentie-effect dat wordt veroorzaakt door coherente verstrooiing om voor het eerst een enkel nanodeeltje bij kamertemperatuur af te koelen tot zijn kwantumgrondtoestand van beweging.

Toen Uroš Delić, een senior onderzoeker in de groep van Markus Aspelmeyer aan de Universiteit van Wenen en eerste auteur van het vorige koelwerk, begon met het toepassen van coherente verstrooiing op twee deeltjes, realiseerde hij zich dat er extra interferentie-effecten optreden. "Licht dat door het ene deeltje wordt verstrooid, kan interfereren met het licht dat het andere deeltje opsluit", legt Delić uit. "Als de fase tussen deze lichtvelden kan worden afgestemd, kan ook de sterkte en het karakter van de krachten tussen de deeltjes."

Voor één reeks fasen herstelt men de bekende optische binding. Voor andere fasen treden echter voorheen niet-waargenomen effecten op, zoals niet-wederkerige krachten. "Het blijkt dat eerdere theorieën geen rekening hielden met coherente verstrooiing, noch met het feit dat ook fotonen verloren gaan. Als je deze twee processen toevoegt, krijg je veel rijkere interacties dan voor mogelijk werd gehouden", zegt Benjamin Stickler, een teamlid uit Duitsland dat aan het werk is. over de verfijnde theoretische beschrijving:"... en eerdere experimenten waren ook niet gevoelig voor deze effecten."

Het team van Wenen wilde daar verandering in brengen en ging op zoek naar deze nieuwe door licht veroorzaakte krachten in een experiment. Om dit te bereiken, gebruikten ze één laser om twee optische stralen te genereren, die elk een enkel glazen nanodeeltje van ongeveer 200 nm groot (ongeveer 1.000 keer kleiner dan een typische zandkorrel) vangen. In hun experiment waren ze in staat om niet alleen de afstand en intensiteit van de valbundels te veranderen, maar ook de relatieve fase ertussen. De positie van elk deeltje oscilleert met de frequentie die door de val wordt gegeven en kan in het experiment met hoge precisie worden gevolgd. Omdat elke kracht op het ingesloten deeltje deze frequentie verandert, is het mogelijk om de krachten ertussen te volgen terwijl fase en afstand worden veranderd.

Om ervoor te zorgen dat de krachten worden veroorzaakt door licht en niet door het gas tussen de deeltjes, werd het experiment in vacuüm uitgevoerd. Op die manier konden ze de aanwezigheid van de nieuwe door licht geïnduceerde krachten tussen de opgesloten deeltjes bevestigen. "De koppelingen die we zien zijn meer dan 10 keer groter dan verwacht van conventionele optische binding", zegt Ph.D. student Jakob Rieser, de eerste auteur van de studie. "En we zien duidelijke handtekeningen van niet-wederkerige krachten wanneer we de laserfasen veranderen, allemaal zoals voorspeld op basis van ons nieuwe model."

De onderzoekers denken dat hun inzichten zullen leiden tot nieuwe manieren om complexe fenomenen in systemen met meerdere deeltjes te bestuderen. "De manier om te begrijpen wat er gaande is in echt complexe systemen, is door modelsystemen te bestuderen met goed gecontroleerde interacties", zegt hoofdonderzoeker Uroš Delić. "Het echt fascinerende hier is dat we een volledig nieuwe toolbox hebben gevonden voor het regelen van interacties in arrays van zwevende deeltjes." De onderzoekers halen ook een deel van hun inspiratie uit de atoomfysica, waar, vele jaren geleden, het vermogen om interacties tussen atomen in optische roosters te controleren in feite het gebied van kwantumsimulators begon. "Dit nu kunnen toepassen op het niveau van solid-state systemen zou een vergelijkbare game changer kunnen zijn." + Verder verkennen

Positiemeting van een zwevend nanodeeltje via interferentie met zijn spiegelbeeld