Utilizzando due nanoparticelle di vetro intrappolate otticamente, i ricercatori hanno osservato una nuova dinamica collettiva non-hermitiana e non lineare guidata da interazioni non reciproche.
Questo contributo espande la tradizionale levitazione ottica con array di pinzette incorporando le cosiddette interazioni non conservative. Le loro scoperte, supportate da un modello analitico sviluppato da collaboratori dell’Università di Ulm e dell’Università di Duisburg-Essen, sono state recentemente pubblicate sulla rivista Nature Physics.
Comprendere la dinamica non reciproca
Le forze fondamentali come la gravità e l’elettromagnetismo sono reciproche, il che significa che due oggetti si attraggono o si respingono. Tuttavia, per alcune interazioni più complesse che si verificano in natura, questa simmetria è rotta ed esiste una qualche forma di non reciprocità. Ad esempio, l’interazione tra un predatore e una preda è intrinsecamente non reciproca poiché il predatore vuole catturare è attratto dalla preda e quest’ultima vuole scappare (è respinta).
Le dinamiche non hermitiane descrivono sistemi non reciproci simili nella meccanica quantistica incorporando dissipazione, guadagno e interazioni non conservative. Queste dinamiche sono state osservate in piattaforme fotoniche, atomiche, elettriche e optomeccaniche e hanno potenziale per applicazioni di rilevamento ed esplorazione di sistemi quantistici aperti. Ora, un team dell’Università di Vienna ha compiuto i primi passi concreti in questa direzione osservando dinamiche non lineari e non hermitiane con nanoparticelle accoppiate in modo non reciproco.
Guidati da Uroš Delić del Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), i ricercatori hanno sviluppato un esperimento da tavolo in cui due nanoparticelle di vetro oscillano in distinte pinzette ottiche, interagendo come se una fosse un predatore e l’altra una preda.
Le pinzette ottiche, una tecnica sperimentata dal premio Nobel 2018 Arthur Ashkin, isolano il movimento delle particelle dall’ambiente e rendono il sistema altamente sintonizzabile. Esperimenti precedenti hanno dimostrato che particelle ravvicinate diffondono la luce delle pinzette l’una verso l’altra, causando interferenze che creano forze ottiche, che possono essere non reciproche.
Nanoparticelle in una dinamica non reciproca
In questo studio, i ricercatori hanno regolato le fasi del raggio laser e la distanza tra le particelle per controllare le interazioni. Manuel Reisenbauer, ricercatore PhD del team, ha dichiarato: “Quello che mi piace di più è che controlliamo il modello fisico con un computer, semplice come programmare un gioco per computer”.
Di conseguenza, hanno prodotto un’interferenza costruttiva attorno a una particella e un’interferenza distruttiva attorno all’altra. Questo ha creato un ciclo di feedback positivo che assomiglia a una dinamica di inseguimento-fuga.
Uroš Delić, autore principale dello studio, ha spiegato: “Un piccolo spostamento di una particella costringe l’altra a muoversi, che a sua volta esercita una forza ancora più forte”.
Il team ha descritto il movimento delle particelle nelle rispettive pinzette senza interazione come analogo a un’oscillazione. Quando sono state applicate interazioni anti-reciproche, le “oscillazioni” hanno iniziato a seguirsi, rompendo la simmetria di inversione di parità-tempo. Il modo più semplice per vederlo è semplicemente riprodurre il “film” al contrario: usando l’analogia predatore-preda, le particelle sembrano invertire i ruoli.
Dimostrata una dinamica non lineare
Il ciclo di feedback positivo dall’interazione anti-reciproca ha anche amplificato le ampiezze di oscillazione di entrambe le particelle. Quando l’interazione è diventata più forte dell’attrito, le particelle hanno oscillato in modo continuo, mantenendo un’ampiezza di oscillazione costante, dimostrando una dinamica non lineare.
Benjamin Stickler dell’Università di Ulm, il principale teorico del lavoro, ha affermato: “Questo sistema è speciale perché presenta forze non reciproche e non lineari, simili a molti esempi naturali. La dinamica ha portato a una fase di ciclo limite, in cui i movimenti delle particelle assomigliano a oscillazioni che ruotano completamente attorno alla trave superiore, pur continuando a seguirsi a vicenda”.
La soluzione del ciclo limite è un concetto generale che si ritrova in molte discipline, tra cui la fisica laser, e che traccia analogie tra il movimento nanomeccanico e la dinamica laser.
Uroš Delić ha concluso: “Siamo rimasti colpiti dal buon accordo tra il modello teorico e i dati sperimentali. Questo suggerisce che il nostro sistema è ideale per osservare dinamiche non reciproche collettive ancora più ricche quando si intrappolano insiemi più grandi di perle”.
Gli autori ritengono che le forze non reciproche avranno numerose applicazioni nel rilevamento di forza e coppia. Inoltre, combinando questi risultati con metodi per portare il movimento delle perle intrappolate al regime quantistico, si potrebbe aprire una nuova ricerca sui sistemi quantistici a pochi corpi che interagiscono in modo non reciproco.
