Od dynamiki drapieżnik-ofiara do nieliniowych oscylacji: nowe badania nad jednostronnymi interakcjami nanopartikuli

WarsawNaukowcy z Uniwersytetu Wiedeńskiego dokonali postępu w badaniach interakcji niereciprocznych dzięki zastosowaniu optycznie wychwyconych nanocząstek szklanych. Analizując dynamikę niehermityczną i nieliniową w tych systemach, udoskonalili tradycyjną technikę optycznej lewitacji.

Kluczowe punkty:

• Optyczne szczypce umożliwiają izolację ruchu cząsteczek, co pozwala na precyzyjną kontrolę.
• Interakcje niereciproczne prowadzą do dynamicznej pogoni i ucieczki.
• Analogie z drapieżnikiem i ofiarą podkreślają niereciproczny charakter.
• Nieliniowa dynamika powoduje zwiększenie amplitudy oscylacji.

Optyczne pęsety, wynalezione przez Arthura Ashkina, pozwalają naukowcom precyzyjnie kontrolować małe cząstki. Zespół z Uniwersytetu Wiedeńskiego, kierowany przez Uroša Delića, wykorzystał te pęsety do stworzenia systemu, w którym dwie szklane nanocząstki poruszają się tam i z powrotem w oddzielnych strefach. Dostosowali fazy wiązki laserowej i odległości między cząstkami, aby stworzyć jednokierunkowe interakcje, podobne do dynamiki drapieżnik-ofiara.

W tym układzie poruszanie się jednej cząstki powoduje ruch drugiej. Taka interakcja wywołuje silniejsze siły, które utrzymują cząstki w oscylacji. Ten ciągły ruch zachodzi, gdy siła interakcji przewyższa tarcie, co ilustruje dynamikę nieliniową.

Benjamin Stickler z Uniwersytetu w Ulm współpracował z zespołem nad opracowaniem modelu teoretycznego. Wyniki eksperymentalne były zgodne z modelem, co potwierdza skuteczność tego podejścia w obserwacji bardziej złożonych zachowań w większych systemach. Stickler zauważył, że siły nieliniowe i niereciproczne są podobne do wielu zjawisk naturalnych, co czyni to badanie szeroko istotnym.

Badanie wykazuje, że tradycyjne techniki lewitacji optycznej można rozszerzyć o niereciproczne oddziaływania. Te oddziaływania łamią symetrię czasowo-przestrzenną. Silne niereciproczne oddziaływania mogą prowadzić do dynamicznych, ciągłych oscylacji.

Zobacz również:

Wczoraj · 23:27

Nowe badania: ewolucja korali zagrożona z powodu zbyt szybkiego tempa ocieplenia globalnego

Niereciproczne interakcje są powszechne w przyrodzie, na przykład relacja drapieżnik-ofiara, gdzie jedno stworzenie poluje, a drugie stara się uniknąć zjedzenia. Badacze zastosowali specjalny układ optyczny, który umożliwił im precyzyjne kontrolowanie tych interakcji.

Manuel Reisenbauer, doktorant będący członkiem zespołu, zauważył, że kontrolowanie ich modelu było proste, podobnie jak programowanie gry komputerowej. Gdy cząstki nie wchodziły w interakcje, poruszały się w prosty sposób. Jednak w sytuacjach z anty-wzajemnymi działaniami, ich zachowanie stawało się bardziej skomplikowane.

Zwiększone amplitudy drgań i wynikające z nich nieliniowe zachowanie przypominają wzorce zaobserwowane w fizyce laserów. Takie porównanie umożliwia nowy sposób zrozumienia powiązania między drobnymi ruchami mechanicznymi a zachowaniem laserów.

Odkrycia te mogą być zastosowane na wiele sposobów:

• Wykrywanie siły i momentu obrotowego z użyciem sił niereciprocznych.
• Badanie otwartych układów kwantowych poprzez niereciproczne interakcje.
• Lepsze zrozumienie dynamiki niehermitycznej w różnych platformach.

Połączenie tego systemu eksperymentalnego z metodami kontroli kwantowej może otworzyć nowe możliwości badawcze dotyczące kwantowych układów kilku ciał, które oddziałują w jednym kierunku. Badanie to ma istotne znaczenie dla przyszłych odkryć naukowych.