De dinámicas depredador-presa a oscilaciones no lineales: estudio innovador en interacciones no recíprocas

MadridInvestigadores de la Universidad de Viena han avanzado en el estudio de interacciones no recíprocas mediante el uso de nanopartículas de vidrio atrapadas con luz. Al explorar dinámicas no lineales y no hermitianas en estos sistemas, han mejorado la técnica tradicional de levitación óptica.

Puntos Clave:

• Las pinzas ópticas permiten aislar el movimiento de partículas, proporcionando un control preciso.
• Las interacciones no recíprocas generan una dinámica de persecución y huida.
• Las analogías de depredador y presa resaltan la naturaleza no recíproca.
• Las dinámicas no lineales resultan en la amplificación de las amplitudes de oscilación.

Pinzas ópticas permiten interacciones unidireccionales

Las pinzas ópticas, inventadas por Arthur Ashkin, permiten a los científicos controlar partículas diminutas con gran precisión. Un equipo de la Universidad de Viena, dirigido por Uroš Delić, utilizó estas pinzas para crear un sistema donde dos nanopartículas de vidrio se mueven de un lado a otro en zonas separadas. Ajustaron las fases del haz láser y las distancias entre las partículas para generar interacciones unidireccionales, similares a las dinámicas depredador-presa.

En este escenario, una partícula se desplaza provocando que la otra también lo haga. Esta interacción genera fuerzas más intensas y hace que las partículas sigan oscilando. Este movimiento continuo se produce cuando la fuerza de la interacción supera la fricción, demostrando dinámicas no lineales.

Benjamin Stickler, de la Universidad de Ulm, colaboró con el equipo en el desarrollo del modelo teórico. Los resultados experimentales coincidieron bien con el modelo, demostrando que este enfoque puede observar de manera efectiva comportamientos más complejos en sistemas más grandes. Stickler destacó que las fuerzas no recíprocas y no lineales son similares a muchos fenómenos naturales, haciendo que este estudio sea de gran relevancia.

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El estudio revela que las técnicas tradicionales de levitación óptica pueden mejorarse mediante interacciones no recíprocas, las cuales rompen la simetría de paridad y tiempo de inversión. Además, interacciones no recíprocas fuertes pueden generar oscilaciones dinámicas y continuas.

Las interacciones no recíprocas son comunes en la naturaleza, como la relación depredador-presa, donde un organismo caza y el otro evita ser devorado. Los investigadores utilizaron un sistema óptico especial que les permitió controlar estas interacciones con gran precisión.

Manuel Reisenbauer, investigador de doctorado del equipo, señaló que era sencillo controlar su modelo, similar a programar un videojuego. Cuando las partículas no interactuaban, se movían de manera sencilla. Sin embargo, con acciones anti-reciprocales, su comportamiento se volvía más complejo.

Las mayores amplitudes de oscilación y el comportamiento no lineal resultante se asemejan a los patrones observados en la física láser. Esta comparación brinda una nueva perspectiva para comprender la conexión entre diminutos movimientos mecánicos y el comportamiento del láser.

Los hallazgos presentan un gran potencial para diversas aplicaciones:

• Sensores de fuerza y par basados en fuerzas no recíprocas.
• Investigación de sistemas cuánticos abiertos mediante interacciones no recíprocas.
• Mayor comprensión de la dinámica no hermitiana en diferentes plataformas.

La combinación de este sistema experimental con métodos de control cuántico podría abrir nuevas investigaciones sobre sistemas cuánticos de pocos cuerpos que interactúan en una única dirección. Este estudio tiene importantes implicaciones para futuros descubrimientos científicos.