Interações não recíprocas e oscilações não lineares: nanopartículas de vidro sob novas dinâmicas ópticas

São PauloPesquisadores da Universidade de Viena fizeram avanços no estudo de interações não recíprocas com nanopartículas de vidro presas opticamente. Ao investigar dinâmicas não-hermitianas e não lineares nesses sistemas, eles aprimoraram a técnica tradicional de levitação óptica.

Pontos Principais:

• Pincetes ópticas isolam o movimento de partículas, permitindo um controle preciso.
• Interações não recíprocas criam uma dinâmica de perseguição e fuga.
• Analogias de predador e presa destacam a natureza não recíproca dessas interações.
• A dinâmica não linear resulta em amplitudes de oscilações amplificadas.

As pinças ópticas, inventadas por Arthur Ashkin, permitem que os cientistas controlem partículas minúsculas com alta precisão. Uma equipe da Universidade de Viena, liderada por Uroš Delić, utilizou essas pinças para montar um sistema onde duas nanopartículas de vidro se movem para frente e para trás em zonas separadas. Eles ajustaram as fases do feixe de laser e as distâncias das partículas para criar interações unidirecionais, semelhantes à dinâmica predador-presa.

Neste contexto, o movimento de uma partícula faz com que a outra também se mova. Essa interação gera forças mais intensas e mantém as partículas em constante oscilação. Esse movimento contínuo ocorre quando a força da interação supera o atrito, exemplificando as dinâmicas não-lineares.

Benjamin Stickler, da Universidade de Ulm, colaborou com a equipe no desenvolvimento do modelo teórico. Os resultados experimentais confirmaram a precisão do modelo, demonstrando que essa abordagem é eficaz para observar comportamentos mais complexos em sistemas maiores. Stickler destacou que forças não recíprocas e não lineares são similares a muitos fenômenos naturais, tornando este estudo amplamente relevante.

O estudo revela que:

• Técnicas tradicionais de levitação óptica podem ser aprimoradas com interações não recíprocas.
• Essas interações rompem a simetria de reversão de paridade-tempo.
• Interações não recíprocas fortes podem levar a oscilações dinâmicas e contínuas.

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Interações não-reciprocais são comuns na natureza, como na relação predador-presa, onde um organismo caça e o outro tenta escapar. Os pesquisadores utilizaram um sistema óptico especial que lhes permitiu controlar essas interações com alta precisão.

Manuel Reisenbauer, pesquisador de doutorado da equipe, observou que era fácil controlar o modelo deles, de uma forma semelhante à programação de um jogo de computador. Quando as partículas não interagiam, elas se moviam de maneira simples. No entanto, com as ações anti-reciprocas, seu comportamento se tornava mais complicado.

Os aumentos nas amplitudes de oscilação e o comportamento não-linear resultante são semelhantes aos padrões observados na física dos lasers. Essa comparação oferece uma nova perspectiva para entender a relação entre pequenos movimentos mecânicos e o comportamento dos lasers.

Os resultados têm potencial para várias aplicações:

• Sensores de força e torque baseados em forças não-recíprocas.
• Exploração de sistemas quânticos abertos por meio de interações não-recíprocas.
• Maior compreensão das dinâmicas não-Hermitianas em diferentes plataformas.

A combinação deste sistema experimental com métodos de controle quântico pode abrir caminho para novas investigações sobre sistemas quânticos de poucos corpos que interagem unidirecionalmente. Este estudo tem importantes implicações para futuras descobertas científicas.