Van roofdier-prooidynamieken tot niet-lineaire oscillaties: nieuwe inzichten in niet-reciproke interacties

AmsterdamOnderzoekers aan de Universiteit Wenen hebben vooruitgang geboekt in de studie van niet-reciproke interacties met optisch gevangen glasnanodeeltjes. Door de Niet-Hermitiaanse en niet-lineaire dynamica in deze systemen te onderzoeken, hebben zij de traditionele optische levitatietechniek verbeterd.

Belangrijke Punten:

• Optische pincetten kunnen de beweging van deeltjes isoleren voor nauwkeurige controle.
• Niet-wederkerige interacties veroorzaken een dynamiek van achtervolgen en vluchten.
• Analogieën met roofdier-prooi benadrukken het niet-wederkerige karakter.
• Niet-lineaire dynamica resulteert in versterkte oscillatieamplitudes.

Optische pincetten, uitgevonden door Arthur Ashkin, stellen wetenschappers in staat om kleine deeltjes met grote precisie te beheersen. Een team van de Universiteit van Wenen, onder leiding van Uroš Delić, gebruikte deze pincetten om een systeem op te zetten waarbij twee glazen nanodeeltjes heen en weer bewegen in afzonderlijke zones. Ze stemden de fasen van de laserstralen en de afstanden tussen de deeltjes af om eenrichtingsinteracties te creëren, vergelijkbaar met roofdier-prooi dynamiek.

In deze opstelling beweegt één deeltje, waardoor het andere deeltje ook in beweging komt. Deze wisselwerking zorgt voor sterkere krachten en houdt de deeltjes voortdurend in beweging. Dit voortdurende bewegen gebeurt wanneer de interactiesterkte groter is dan de wrijving, wat niet-lineaire dynamica illustreert.

Benjamin Stickler van de Universiteit van Ulm werkte samen met het team aan het ontwikkelen van het theoretische model. De experimentele resultaten kwamen goed overeen met het model, wat aantoont dat deze opstelling effectief complexere gedragingen in grotere systemen kan observeren. Stickler merkte op dat de niet-reciprocale en niet-lineaire krachten vergelijkbaar zijn met veel natuurlijke fenomenen, waardoor deze studie breed relevant is.

Uit het onderzoek blijkt dat:

• Traditionele optische levitatietechnieken kunnen worden uitgebreid met niet-reciproke interacties.
• Deze interacties doorbreken pariteit-tijd omkeerbaarheidssymmetrie.
• Sterke niet-reciproke interacties kunnen leiden tot dynamische, continue oscillaties.

Lees ook:

Gisteren · 23:27

Natuur of klimaat: kunnen koralen overleven ondanks de snelle opwarming van de aarde?

Niet-wederkerige interacties zijn veelvoorkomend in de natuur, zoals de relatie tussen roofdier en prooi waarbij het ene organisme jaagt en het andere probeert te ontsnappen aan de dood. De onderzoekers maakten gebruik van een speciaal optisch systeem waarmee ze deze interacties met grote precisie konden beheersen.

Manuel Reisenbauer, een promovendus binnen het team, merkte op dat hun model eenvoudig te besturen was, vergelijkbaar met het programmeren van een computerspel. Wanneer de deeltjes niet interageerden, bewogen ze in een eenvoudig patroon. Maar bij anti-reciproke acties werd hun gedrag veel complexer.

De grotere swingamplitudes en de daarbij horende niet-lineaire verschijnselen doen denken aan patronen die bekend zijn uit de laserfysica. Deze vergelijking biedt een nieuwe benadering om de verbinding tussen kleine mechanische bewegingen en laserervaringen te begrijpen.

De bevindingen bieden diverse toepassingsmogelijkheden:

• Kracht- en draaimomentsensoren gebaseerd op niet-reciproke krachten.
• Onderzoek naar open kwantumsystemen door niet-reciproke interacties.
• Verbeterd inzicht in niet-Hermitische dynamiek op verschillende platformen.

Het combineren van dit experimentele systeem met methoden voor kwantumcontrole zou nieuw onderzoek kunnen opleveren naar kwantum- en weinige deeltjes-systemen die in één richting interageren. Deze studie is van groot belang voor toekomstige wetenschappelijke ontdekkingen.