Från rovdjur-byte-dynamik till icke-linjära vibrationer: En ny studie om ensidiga interaktioner

StockholmForskare vid Wiens universitet har gjort framsteg i studiet av icke-reciproka interaktioner med optiskt fångade glaskulor. Genom att undersöka icke-hermitiska och olinjära dynamiker i dessa system har de förbättrat den traditionella tekniken för optisk levitation.

Huvudpunkter:

• Optiska pincetter isolerar partikelrörelse och möjliggör precis kontroll.
• Icke-reciproka interaktioner skapar en jakt-löpa-dynamik.
• Rovdjur-bytesdjursanalogier belyser den icke-reciproka karaktären.
• Icke-linjära dynamiker resulterar i förstärkta svängningsamplituder.

Optiska pincetter, uppfunna av Arthur Ashkin, gör det möjligt för forskare att kontrollera små partiklar med stor precision. Ett team vid Wiens universitet, lett av Uroš Delić, använde dessa pincetter för att skapa ett system där två glaskulor rör sig fram och tillbaka i separata zoner. De justerade laserstrålarnas faser och avstånden mellan partiklarna för att skapa envägsinteraktioner, liknande predator-byte dynamik.

I denna konfiguration får rörelsen av en partikel den andra att också röra sig. Denna interaktion genererar starkare krafter och gör att partiklarna fortsätter att oscillera. Denna kontinuerliga rörelse sker när interaktionens styrka är större än friktionen, vilket illustrerar icke-linjära dynamik.

Benjamin Stickler vid Ulms universitet samarbetade med teamet för att utveckla den teoretiska modellen. De experimentella resultaten stämde bra överens med modellen, vilket visar att denna uppsättning effektivt kan observera mer komplexa beteenden i större system. Stickler påpekade att icke-reciproka och olinjär krafter liknar många naturliga fenomen, vilket gör denna studie relevant på bred front.

Studien visar att traditionella optiska levitationstekniker kan utvecklas med icke-reciproka interaktioner. Dessa interaktioner bryter paritet-tidsreverseringssymmetri. Starka icke-reciproka interaktioner kan leda till dynamiska och kontinuerliga oscillationer.

Läs också:

Idag · 04:09

Bröstmjölksantikroppar skyddar spädbarn mot maginfektioner

Icke-reciproka interaktioner är vanliga i naturen, som rovdjur-byte-förhållandet där ett djur jagar och det andra försöker undvika att bli uppätet. Forskarna använde ett speciellt optiskt system som gav dem möjlighet att med hög precision styra dessa interaktioner.

Manuel Reisenbauer, en doktorand forskare i teamet, påpekade att det var enkelt att styra deras modell, liknande att programmera ett datorspel. När partiklarna inte interagerade rörde de sig i ett enkelt mönster. Dock blev deras beteende mer komplicerat med anti-reciprokerade handlingar.

De ökade svängningsamplituderna och den resulterande icke-linjära beteendet liknar de mönster som observeras inom laserteknik. Denna jämförelse ger ett nytt sätt att förstå sambandet mellan små mekaniska rörelser och laserbeteende.

Resultaten kan användas inom ett flertal områden såsom:

• Orsaks- och kraftmätning med hjälp av icke-reciproka krafter.
• Utforskning av öppna kvantsystem genom icke-reciproka interaktioner.
• Förbättrad förståelse av icke-Hermitisk dynamik på olika plattformar.

Genom att kombinera detta experimentella system med metoder för kvantkontroll kan ny forskning kring kvantsystem med få kroppar som interagerar i en riktning utvecklas. Denna studie har viktiga konsekvenser för framtida vetenskapliga upptäckter.