Une équipe de chercheurs de l'Université de Vienne, de l'Académie autrichienne des sciences et de l'Université de Duisburg-Essen a découvert un nouveau mécanisme qui modifie fondamentalement l'interaction entre les nanoparticules en lévitation optique. Leur expérience démontre des niveaux de contrôle auparavant inatteignables sur le couplage dans des réseaux de particules, créant ainsi une nouvelle plate-forme pour étudier des phénomènes physiques complexes. Les résultats sont publiés dans le numéro de cette semaine de Science .

Imaginez des particules de poussière flottant au hasard dans la pièce. Lorsqu'un laser est allumé, les particules subiront des forces de lumière et une fois qu'une particule s'approchera trop près, elle sera piégée dans le foyer du faisceau. C'est la base du travail pionnier d'Arthur Ashkin sur les pincettes optiques. Lorsque deux particules ou plus se trouvent à proximité, la lumière peut être réfléchie entre elles pour former des ondes lumineuses stationnaires, dans lesquelles les particules s'auto-alignent comme un cristal de particules liées par la lumière. Ce phénomène, également appelé liaison optique, est connu et étudié depuis plus de 30 ans.

Les chercheurs de Vienne ont été assez surpris lorsqu'ils ont constaté un comportement complètement différent de celui auquel ils s'attendaient lors de l'étude des forces entre deux nanoparticules de verre. Non seulement ils pouvaient changer la force et le signe de la force de liaison, mais ils pouvaient même voir une particule, disons la gauche, agir sur l'autre, la droite, sans que la droite agisse en retour sur la gauche. Ce qui semble être une violation de la troisième loi de Newton (tout ce sur quoi on agit agit en retour avec la même force mais de signe opposé) est un comportement dit non réciproque et se produit dans des situations dans lesquelles un système peut perdre de l'énergie au profit de son environnement, dans ce cas. cas le laser. Quelque chose manquait évidemment à notre théorie actuelle de la liaison optique.

L'astuce secrète derrière ce nouveau comportement est la "diffusion cohérente", un phénomène que les chercheurs de Vienne ont déjà étudié ces dernières années. Lorsque la lumière laser frappe une nanoparticule, la matière à l'intérieur de la particule se polarise et suit les oscillations de l'onde électromagnétique de la lumière. En conséquence, toute la lumière diffusée par la particule oscille en phase avec le laser entrant. Les ondes qui sont en phase peuvent être amenées à interférer. Récemment, les chercheurs de Vienne ont utilisé cet effet d'interférence fourni par la diffusion cohérente pour refroidir pour la première fois une seule nanoparticule à température ambiante jusqu'à son état fondamental quantique de mouvement.

Lorsque Uroš Delić, chercheur principal dans le groupe de Markus Aspelmeyer à l'Université de Vienne et premier auteur des travaux de refroidissement précédents, a commencé à appliquer une diffusion cohérente à deux particules, il s'est rendu compte que des effets d'interférence supplémentaires se produisaient. "La lumière diffusée par une particule peut interférer avec la lumière qui piège l'autre particule", explique Delić. "Si la phase entre ces champs lumineux peut être réglée, la force et le caractère des forces entre les particules peuvent également l'être."

Pour un ensemble de phases, on retrouve la liaison optique bien connue. Pour d'autres phases, cependant, des effets précédemment non observés se produisent, tels que des forces non réciproques. "Il s'avère que les théories précédentes ne tenaient pas compte de la diffusion cohérente ni du fait que les photons se perdent également. Lorsque vous ajoutez ces deux processus, vous obtenez des interactions beaucoup plus riches que ce que vous pensiez possible", explique Benjamin Stickler, un membre de l'équipe allemand travaillant sur la description théorique raffinée :"... et les expériences passées n'étaient pas non plus sensibles à ces effets."

L'équipe de Vienne a voulu changer cela et a entrepris d'explorer ces nouvelles forces induites par la lumière dans une expérience. Pour y parvenir, ils ont utilisé un laser pour générer deux faisceaux optiques, chacun piégeant une seule nanoparticule de verre d'environ 200 nm (environ 1 000 fois plus petite qu'un grain de sable typique). Dans leur expérience, ils ont pu modifier non seulement la distance et l'intensité des faisceaux pièges, mais également la phase relative entre eux. La position de chaque particule oscille à la fréquence donnée par le piège et peut être surveillée avec une grande précision dans l'expérience. Étant donné que chaque force sur la particule piégée modifie cette fréquence, il est possible de surveiller les forces entre elles pendant que la phase et la distance sont modifiées.

Pour s'assurer que les forces sont induites par la lumière et non par le gaz entre les particules, l'expérience a été réalisée sous vide. De cette façon, ils pourraient confirmer la présence des nouvelles forces induites par la lumière entre les particules piégées. "Les couplages que nous observons sont plus de 10 fois plus importants que ceux attendus d'une liaison optique conventionnelle", déclare Ph.D. étudiant Jakob Rieser, le premier auteur de l'étude. "Et nous voyons des signatures claires de forces non réciproques lorsque nous changeons les phases laser, tout comme prévu par notre nouveau modèle."

Les chercheurs pensent que leurs connaissances conduiront à de nouvelles façons d'étudier les phénomènes complexes dans les systèmes multiparticules. "La façon de comprendre ce qui se passe dans des systèmes véritablement complexes consiste généralement à étudier des systèmes modèles avec des interactions bien contrôlées", explique le chercheur principal Uroš Delić. "La chose vraiment fascinante ici est que nous avons trouvé une toute nouvelle boîte à outils pour contrôler les interactions dans des réseaux de particules en lévitation." Les chercheurs puisent également une partie de leur inspiration dans la physique atomique où, il y a de nombreuses années, la capacité de contrôler les interactions entre les atomes dans les réseaux optiques a essentiellement lancé le domaine des simulateurs quantiques. "Pouvoir appliquer cela maintenant au niveau des systèmes à semi-conducteurs pourrait changer la donne de la même manière." + Explorer plus loin

Mesure de position d'une nanoparticule en lévitation par interférence avec son image miroir