Science｜非互易的光捕获悬浮纳米粒子相互作用

光捕获的两个纳米粒子之间的非互易光学相互作用。

当粒子被激光束聚焦捕获时，光在粒子之间的反射会形成驻波。粒子与这些驻波的相互作用会导致自对准现象，被称为光学结合。维也纳大学、奥地利科学院和德国杜伊斯堡-埃森大学的研究人员首次成功地完全控制了平行激光束中两个光学悬浮纳米粒子之间的光学结合行为。这一成就为探索两个或多个粒子的集体量子动力学提供了新方法。相关研究成果已发表于“Science“。

在这项工作中，研究人员表明，通过调整激光束的特性，他们不仅可以控制粒子之间相互作用的强度，还可以控制这种相互作用是否是互相吸引的、排斥的甚至是非互易的。杜伊斯堡-埃森大学研究团队的Benjamin Stickler 提到：非互易意味着一个粒子推动另一个粒子，但另一个粒子对第一个粒子没有反作用。虽然这种行为在一个看起来相当对称的系统中似乎违反了牛顿第三定律，但事实是因为光场带走了动量而导致的。

相干散射

之前对光学结合粒子的相关研究中，这种不可逆的行为没有被仔细研究过。本文解释其源于一种称为相干散射的现象。本质上，当激光照射到纳米颗粒上时，纳米颗粒会发生极化，从而跟随光的电磁波振荡。

因此，被粒子散射的所有光都与入射激光同相振荡。从一个粒子散射的光会干扰捕获另一个粒子的光的过程。如果这些光场之间的相位可以调整，那么粒子之间的力的强度和特性也可以调整。

为了弄清这种行为，维也纳的研究团队设置了两个带有空间光调制器的平行光镊，这是一种可以分裂或调控激光束的液晶显示器。 首先，调控这些粒子靠近彼此，从而观察它们如何与自身上反射回来的光相互作用，也就是如何进行光学结合过程。研究人员在将粒子靠近时观察它们的振荡频率，变化越大，相互作用越强。

杜伊斯堡研究团队通过理论计算发现，对于特定环境下，相互作用可能变得具有非互易性。这一发现得到了实验观察的证实，结果证明粒子之间的相互作用比预期的要复杂。

本研究为控制和探测悬浮纳米粒子之间的相互作用提供了一种全新的方法，为实现量子体系中的控制和操作开辟了新的研究途径，例如研究多粒子系统中的复杂现象。

目前，研究人员表示将尝试扩展他们的技术，并应用于更多数量的悬浮纳米粒子研究中。 可调谐的相互作用将使我们能够对粒子之间的连接进行编程，并探索它们如何共同移动并形成模式特定的模式。