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Inicio > Prensa > Unidas por la luz: las nanopartículas de vidrio muestran un acoplamiento inesperado cuando levitan con luz láser
Representación artística de dos nanopartículas que interactúan a través de fuerzas no recíprocas inducidas por la luz CRÉDITO Equinox Graphics Ltd., Universidad de Viena |
Resumen:
Un equipo de investigación de la Universidad de Viena, la Academia de Ciencias de Austria y la Universidad de Duisburg-Essen ha encontrado un nuevo mecanismo que cambia fundamentalmente la interacción entre las nanopartículas ópticamente suspendidas. Su experimento demuestra un nivel de control sin precedentes sobre el acoplamiento en ensamblajes de partículas, creando una nueva plataforma para estudiar fenómenos físicos complejos. Los resultados se publican en Science de esta semana.
Unidos por la luz: las nanopartículas de vidrio exhiben un acoplamiento inesperado cuando levitan con luz láser
Viena, Austria | Publicado el 26 de agosto de 2022
Imagina partículas de polvo flotando al azar alrededor de la habitación. Cuando se enciende un láser, las partículas experimentan fuerzas de luz y tan pronto como una partícula se acerca demasiado, queda atrapada en el foco del haz. Esta es la base del trabajo fundamental del Premio Nobel de Arthur Ashkin sobre las pinzas ópticas. Cuando dos o más partículas están muy cerca, la luz puede rebotar entre ellas para formar ondas de luz estacionarias, en las que las partículas se autoalinean como un cristal de partículas unidas a la luz. Este fenómeno, también llamado unión óptica, se conoce e investiga desde hace más de 30 años.
Fue bastante sorprendente para los investigadores en Viena cuando vieron un comportamiento completamente diferente al esperado al estudiar las fuerzas entre dos nanopartículas de vidrio. No solo podían cambiar la intensidad y el signo de la fuerza vinculante, sino que incluso podían ver cómo una partícula, digamos la izquierda, actuaba sobre la otra, la derecha, sin que la derecha reaccionara sobre la izquierda. Lo que parece una violación de la tercera ley de Newton (todo sobre lo que se actúa reacciona con la misma fuerza pero con signo opuesto) es el llamado comportamiento no recíproco y ocurre en situaciones en las que un sistema puede perder energía en el caso de los láseres. Evidentemente, faltaba algo en nuestra teoría actual del enlace óptico.
El truco secreto detrás de este nuevo comportamiento es la «dispersión coherente», un fenómeno que los investigadores de Viena han estado investigando en los últimos años. Cuando la luz láser golpea una nanopartícula, la materia dentro de la partícula se polariza y sigue las oscilaciones de la onda electromagnética de la luz. En consecuencia, cualquier luz dispersada por la partícula oscila en fase con el láser incidente. Se puede hacer que las ondas en fase interfieran. Los investigadores vieneses utilizaron recientemente este efecto de interferencia de la dispersión coherente para enfriar una sola nanopartícula a temperatura ambiente en su estado de movimiento mecánico cuántico básico por primera vez.
Cuando Uroš Delić, investigador principal del grupo de Markus Aspelmeyer en la Universidad de Viena y primer autor del trabajo de enfriamiento anterior, comenzó a aplicar la dispersión coherente a dos partículas, descubrió que se producen efectos de interferencia adicionales. «La luz que es dispersada por una partícula puede interferir con la luz que es capturada por la otra partícula», explica Delić. «Si se puede ajustar la fase entre estos campos de luz, también se puede ajustar la fuerza y el carácter de las fuerzas entre partículas». Para un conjunto de fases, se conserva el conocido enlace óptico. Para otras fases, sin embargo, se producen efectos previamente no observados, como fuerzas no recíprocas. «Resulta que las teorías anteriores no tuvieron en cuenta la dispersión coherente o el hecho de que los fotones también se pierden. Agregue estos dos procesos y obtendrá interacciones mucho más ricas de lo que hubiera creído posible”, dice Benjamin Stickler, miembro del equipo de Alemania, sobre la descripción teórica refinada: “… y los experimentos anteriores tampoco fueron sensibles a estos efectos”.
El equipo de Viena quería cambiar eso y se dispuso a investigar estas nuevas fuerzas inducidas por la luz en un experimento. Para lograrlo, utilizaron un láser para crear dos haces ópticos, cada uno de los cuales capturó una única nanopartícula de vidrio de unos 200 nm de tamaño (unas 1000 veces más pequeña que un grano de arena típico). En su experimento, no solo pudieron cambiar la distancia y la intensidad de los rayos trampa, sino también la fase relativa entre ellos. La posición de cada partícula oscila a la frecuencia establecida por la trampa y se puede rastrear con gran precisión en el experimento. Debido a que cualquier fuerza sobre la partícula atrapada cambia esta frecuencia, es posible monitorear las fuerzas entre ellas mientras cambia la fase y el espacio. Para asegurarse de que las fuerzas sean inducidas por la luz y no por el gas entre las partículas, el experimento se llevó a cabo en el vacío. De esta forma pudieron confirmar la presencia de las nuevas fuerzas inducidas por la luz entre las partículas atrapadas. «Los acoplamientos que vemos son más de diez veces mayores de lo que cabría esperar con la unión óptica convencional», dice el estudiante de doctorado Jakob Rieser, primer autor del estudio. «Y vemos señales claras de fuerzas no recíprocas cuando cambiamos las fases del láser, todo como predice nuestro nuevo modelo».
Los investigadores creen que sus hallazgos conducirán a nuevas formas de estudiar fenómenos complejos en sistemas de muchas partículas. “Normalmente, la forma de comprender lo que sucede en sistemas realmente complejos es estudiar sistemas modelo con interacciones bien controladas”, dice el investigador principal Uroš Delić. «Lo que es realmente fascinante aquí es que encontramos una caja de herramientas completamente nueva para controlar las interacciones en conjuntos de partículas flotantes». estableció el campo de los simuladores cuánticos. «Ahora poder aplicar esto al nivel del sistema de estado sólido podría ser un cambio de juego similar».
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Veronica Schallhart
Universidad de Viena
Oficina: +43-1-4277-175 30
contacto experto
dr. Uros Delić
Óptica Cuántica, Nanofísica Cuántica e Información Cuántica, Universidad de Viena
Oficina: +43-1-4277-72532
Copyright © Universidad de Viena
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