تیمی از محققان دانشگاه وین، آکادمی علوم اتریش و دانشگاه دویسبرگ-اسن مکانیسم جدیدی یافته اند که به طور اساسی بر هم کنش بین نانوذرات معلق شده با نور را تغییر می­دهد. آزمایش آن­ها سطوحی از کنترل بر جفت شدگی در آرایه­ای از ذرات که قبلاً دست نیافتنی بود را نشان می دهد و بدین ترتیب بستر جدیدی برای مطالعه پدیده‌های فیزیکی پیچیده ایجاد می‌کند. این نتایج در شماره این هفته مجله Science منتشر شده است.

ذرات گرد و غبار را که به طور تصادفی در اتاق شناور هستند تصور کنید. وقتی لیزر روشن می‌شود، ذرات نیروهای نوری را احساس می‌کنند و هنگامی که یک ذره خیلی نزدیک شود در کانون پرتو گیر می­افتد. این موضوع پایه­ کار پیشتازانه­ آرتور اشکین در مورد انبرکهای نوری است که جایزه نوبل را برد. هنگامی که دو یا چند ذره در مجاورت یکدیگر قرار دارند، نور می تواند بین آنها به عقب و جلو بازتاب شود و امواج نور ایستا را تشکیل دهد که در این حالت ذرات، شبیه به یک بلور از ذرات مقید شده با نور، خود را مرتب می کنند. این پدیده که بستگی نوری (light binding) هم نامیده میشود، بیش از 30 سال است که شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته است.

هنگامی که محققان در وین رفتاری کاملاً متفاوت با آنچه در هنگام مطالعه نیروهای بین دو نانوذره شیشه‌ای انتظار می‌رفت مشاهده کردند، بسیار شگفت‌انگیز بود. آنها نه تنها توانستند شدت و علامت نیروی بستگی را تغییر دهند، بلکه حتی توانستند یک ذره را ببینند، مثلاً سمت چپی، که روی دیگری (سمت راستی) عمل می کند بدون اینکه سمت راستی متقابلا روی سمت چپی اثری داشته باشد. چیزی که به نظر می رسد نقض قانون سوم نیوتن است (هر گاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم نیرویی به همان اندازه و در جهت مخالف به جسم اول وارد می‌کند) و به اصطلاح رفتار غیر متقابل non-reciprocal)) نامیده می شود، در شرایطی رخ می دهد که در آن سیستم می تواند انرژی خود را به محیط (در این حالت لیزر) بدهد. ظاهرا چیزی در نظریه فعلی ما در مورد بستگی نوری از قلم افتاده است.

نکته مخفی پشت این رفتار جدید «پراکندگی همدوس» است، پدیده‌ای که محققان وین در طی سال‌های گذشته در حال بررسی آن بوده‌اند. هنگامی که نور لیزر به یک نانوذره برخورد می کند، ماده درون ذره قطبی می شود و نوسانات موج الکترومغناطیسی نور را دنبال می کند. در نتیجه، تمام نوری که از ذره پراکنده می­شود همفاز با لیزر فرودی نوسان می کند. امواجی که همفاز هستند را می توان با هم تداخل داد. اخیراً، پژوهشگران وین برای اولین بار از این اثر تداخلی فراهم شده با پراکندگی همدوس جهت سرد کردن یک تک نانوذره در دمای اتاق به حالت پایه کوانتومی آن استفاده کردند.

هنگامی که یورس دلیچ Uroš Delić، محقق ارشد گروه مارکوس آسپلمیِر Markus Aspelmeyer در دانشگاه وین و نویسنده اول کار سرمایش قبلی، شروع به اعمال پراکندگی همدوس بر روی دو ذره کرد، متوجه شد که اثرات تداخلی اضافی رخ می-دهد. دلیچ توضیح می دهد: اگر بتوان فاز بین این میدان­های نوری را تنظیم کرد، پس شدت و مشخصه نیروهای بین ذرات هم قابل تنظیم است. برای یک مجموعه از فازها، میتوان بستگی نوری شناخته شده را برقرار کرد. اما برای فازهای دیگر، اثرات مشاهده نشده قبلی مانند نیروهای غیرمتقابل رخ می­دهد. بنجامین استیکلر Benjamin Stickler، یکی از اعضای تیم از آلمان که روی توصیف نظری ویرایش شده کار می‌کند، می‌گوید: به نظر می‌رسد که نظریه‌های قبلی نه پراکندگی همدوس را در نظر می‌گرفتند و نه این واقعیت را که فوتون‌ها نیز گم می‌شوند. وقتی این دو فرآیند را اضافه می‌کنید، برهمکنش‌های بسیار غنی‌تری از آنچه به نظر ممکن می رسید به دست می‌آورید.... و آزمایش های گذشته نیز به این اثرات حساس نبودند.

تیم وین می خواست این را تغییر دهد و در آزمایشی نیروهای جدید نور-القایی را بررسی کند. برای رسیدن به این هدف، آن­ها از یک لیزر برای تولید دو پرتو نوری استفاده کردند که هر کدام یک نانوذره شیشه ای با اندازه حدود 200 نانومتر (حدود 1000 برابر کوچکتر از یک دانه شن معمولی) را به دام می­انداختند. پژوهشگران در آزمایش خود توانستند نه تنها فاصله و شدت باریکه های تله، بلکه فاز نسبی بین آن­ها را نیز تغییر دهند. موقعیت هر ذره با فرکانس داده شده توسط تله نوسان می­کند و می توان در آزمایش آن را با دقت بالایی پایش کرد. از آنجایی که هر نیروی وارد بر ذره به دام افتاده این فرکانس را تغییر می دهد، پایش نیروهای بین آن­ها در حین تغییر فاز و فاصله امکان­پذیر است. برای اطمینان از اینکه این نیروها توسط نور و نه گاز بین ذرات القا می­شوند، آزمایش در خلاء انجام شد. به این ترتیب محققان می­توانستند حضور نیروهای جدید نور-القایی بین ذرات به دام افتاده را تایید کنند. جیکوب ریزر Jakob Rieser، دانشجوی دکترا و نویسنده اول این مطالعه، می‌گوید: «جفت شدگی هایی که می‌بینیم بیش از 10 برابر بزرگ‌تر از آن چیزی است که از بستگی نوری معمول انتظار می‌رود. و هنگامی که فازهای لیزر را تغییر می‌دهیم، نشانه‌های واضحی از نیروهای غیر متقابل مشاهده می‌کنیم، همه مطابق با آنچه که در مدل جدید ما پیش‌بینی شده است».

پژوهشگران گروه بر این باورند که این نگرش آن­ها به روش های جدیدی برای مطالعه پدیده های پیچیده در سیستم های چند ذره ای منجر خواهد شد. روش درک آنچه در سیستم‌های واقعاً پیچیده می‌گذرد، معمولاً مطالعه سیستم‌های مدلی با برهمکنش­های به خوبی کنترل شده است. یورس دلیچ محقق ارشد می گوید: نکته جالب اینجاست که ما یک جعبه ابزار کاملا جدید برای کنترل برهمکنش ها در آرایه های ذرات معلق پیدا کرده ایم. محققان بخشی از الهامات خود را نیز از فیزیک اتمی می‌گیرند، جایی که، سال‌ها پیش، توانایی کنترل برهم‌کنش‌ بین اتم‌ها در شبکه‌های نوری مقدمه ای بر آغاز زمینه شبیه‌سازهای کوانتومی شد «. اینکه بتوانیم این را اکنون در سطح سیستم‌های حالت جامد به کار ببریم، می‌تواند یک تغییر بازی مشابه باشد

منبع

Glass nanoparticles show unexpected coupling when levitated with laser light

ترجمه خبر:

شهره کرمی