Utilizando dos nanopartículas de vidrio ópticamente entrelazadas, los investigadores observaron una nueva dinámica colectiva no hermitiana y no lineal impulsada por interacciones no homogéneas. Esta contribución amplía la levitación óptica convencional con conjuntos de pinzas incorporando las llamadas interacciones no conservativas. Sus hallazgos, respaldados por un modelo analítico desarrollado por colaboradores de la Universidad de Ulm y la Universidad de Duisburg-Essen, se publicaron recientemente. Física de la Naturaleza.
Las fuerzas fundamentales como la gravedad y el electromagnetismo son mutuamente excluyentes, lo que significa que dos objetos se atraen o se repelen. Sin embargo, para algunas de las interacciones más complejas que ocurren en la naturaleza, esta simetría se rompe y existe alguna forma de asimetría. Por ejemplo, la interacción entre depredador y presa es inherentemente aversiva porque el depredador quiere atrapar (atraer) a la presa y esta última quiere escapar (repelida). La dinámica no hermitiana describe sistemas no hermitianos similares en mecánica cuántica al incluir pérdida, ganancia e interacciones no conservativas. Estas dinámicas se observan en plataformas fotónicas, atómicas, eléctricas y optomecánicas y tienen potencial para aplicaciones de detección y exploración de sistemas cuánticos abiertos. Ahora, un equipo de la Universidad de Viena ha dado el primer paso concreto en esta dirección al observar dinámicas no lineales y no hermitianas con nanopartículas asimétricas.
Mesa y cristal
Dirigidos por Uroš Delić del Centro de Ciencia y Tecnología Cuánticas (VCQ) de Viena, los investigadores desarrollaron un experimento de mesa en el que dos nanopartículas de vidrio se mueven en pinzas ópticas separadas, interactuando como un depredador y convirtiéndose en la segunda víctima. Las pinzas ópticas, una técnica de la que fue pionera el premio Nobel de 2018 Arthur Ashkin, hacen que el sistema sea muy manejable al desacoplar el movimiento de las partículas del medio ambiente. Experimentos anteriores han demostrado que partículas poco espaciadas dispersan la luz de las pinzas entre sí, creando fuerzas ópticas que pueden ser irreversibles.
En este estudio, los investigadores ajustaron las fases del rayo láser y la distancia entre las partículas para controlar las interacciones. “Lo que más me gusta es que controlamos el modelo físico con el ordenador, tan fácil como programar un juego de ordenador”, afirma Manuel Reasonbauer, investigador doctoral del equipo. Como resultado, crean interferencia constructiva alrededor de una partícula e interferencia destructiva alrededor de la otra. Esto crea un circuito de retroalimentación positiva que se asemeja a una dinámica de persecución. “Un pequeño desplazamiento de una partícula obliga a otra a moverse, lo que genera una fuerza aún mayor”, explica Uroš Delić, autor principal del artículo.
El equipo describió el movimiento de las partículas en sus respectivas pinzas como análogo a un balanceo sin interacción alguna. Cuando se aplicaron interacciones opuestas, las “oscilaciones” comenzaron a sucederse, rompiendo la simetría del equilibrio reversible en el tiempo. La forma más fácil de ver esto es simplemente reproducir la “película” al revés: usando la analogía depredador-presa, las partículas parecen desempeñar papeles a la inversa.
Amplitud amplificada
Un circuito de retroalimentación positiva de la interacción antirrecíproca también aumentó la amplitud de las dos oscilaciones de partículas. Cuando la interacción se volvió más fuerte que la fricción, las partículas continuaron oscilando, manteniendo una amplitud de oscilación constante, exhibiendo una dinámica no lineal. “Este sistema es especial porque tiene fuerzas asimétricas y no lineales, como muchos ejemplos naturales”, dice Benjamin Steckler de la Universidad de Ulm, el principal teórico del trabajo. “La cinética dio como resultado una fase de ciclo límite, donde los movimientos de las partículas parecían oscilaciones que se sucedían completamente alrededor del haz superior”. Las soluciones de ciclo límite son un concepto general que se encuentra en muchos campos, incluida la física del láser, y establece analogías entre el movimiento nanomecánico y la dinámica del láser.
“Nos impresionó la buena concordancia entre el modelo teórico y los datos experimentales”, afirma Uroš Delić. “Esto sugiere que nuestro sistema es ideal para observar dinámicas colectivas no recíprocas aún más robustas al atrapar grandes conjuntos de cuentas”. Los autores creen que las fuerzas no recíprocas tendrán numerosas aplicaciones en la detección de fuerza y par. Además, combinar estos resultados con métodos para llevar el movimiento de una perla atrapada al régimen cuántico puede conducir a nuevas investigaciones sobre interacciones no recíprocas en sistemas cuánticos de pocos cuerpos.
