המחשה מדעית של הניסוי שבו שני חלקיקים בשתי קרני לייזר מחוברים באופן לא הדדי דרך אור המפוזר ביניהם. אינטראקציה זו גורמת להם לנוע לאורך מסלולים ספציפיים כך שהחלקיקים עוקבים זה אחר זה (העיגולים הצהובים הם תיעוד הניסוי של התנועה של כל חלקיק). קרדיט: Equinox Graphics
אנלוגיית טורף-טרף: אינטראקציה חדשה בין חלקיקים מופעלת
באמצעות שני חלקיקי זכוכית כלואים אופטית, החוקרים צפו בדינמיקה קולקטיבית לא-הרמיטית ולא ליניארית המונעת על ידי אינטראקציות לא הדדיות. תרומה זו מרחיבה ריחוף אופטי מסורתי עם מערכי פינצטה על ידי שילוב מה שנקרא אינטראקציות לא שמרניות. הממצאים שלהם, הנתמכים על ידי מודל אנליטי שפותח על ידי משתפי פעולה מאוניברסיטת Ulm ואוניברסיטת Duisburg-Essen, פורסמו לאחרונה ב- פיזיקת הטבע.
הבנת אינטראקציות לא הדדיות
כוחות יסוד כמו כוח משיכה ואלקטרומגנטיות הם הדדיים, כלומר שני עצמים מושכים או דוחים זה את זה. עם זאת, עבור כמה אינטראקציות מורכבות יותר המתעוררות בטבע, הסימטריה הזו נשברת וקיימת צורה כלשהי של חוסר הדדיות. לדוגמה, האינטראקציה בין טורף לטרף אינה הדדית מטבעה שכן הטורף רוצה לתפוס (נמשך) את הטרף והאחרון רוצה לברוח (נדחה).
דינמיקה לא-הרמיטיאנית מתארת מערכות לא הדדיות דומות במכניקת הקוונטים על ידי שילוב של פיזור, רווח ואינטראקציות לא שמרניות. דינמיקה זו נצפית בפלטפורמות פוטוניות, אטומיות, חשמליות ואופטו-מכאניות ומחזיקה בפוטנציאל לחישת יישומים ולחקירת מערכות קוונטיות פתוחות. כעת, צוות של אוניברסיטת וינה עשה את הצעדים הקונקרטיים הראשונים בכיוון זה על ידי התבוננות בדינמיקה לא ליניארית ולא הרמיטית עם ננו-חלקיקים משויכים לא הדדי.
שולחן וזכוכית
בהנחיית Uroš Delić מהמרכז של וינה למדע וטכנולוגיה קוונטית (VCQ), החוקרים פיתחו ניסוי על שולחן שבו שני ננו-חלקיקי זכוכית מתנודדים בפינצטה אופטית ברורה, ומקיימים אינטראקציה כאילו האחד היה טורף והשני טרף.
פינצטה אופטית, טכניקה שחלו על ידי חתן פרס נובל לשנת 2018 ארתור אשקין, מבודדת את תנועת החלקיקים מהסביבה והופכת את המערכת לניתנת להתאמה גבוהה. ניסויים קודמים הראו שחלקיקים מרווחים קרובים מפזרים את אור הפינצטה זה לכיוון השני, מה שמוביל להפרעות היוצרות כוחות אופטיים, שיכולים להיות לא הדדיים.
המחשה מדעית של הניסוי שבו שני חלקיקים בשתי קרני לייזר מחוברים באופן לא הדדי דרך אור המפוזר ביניהם. אינטראקציה זו גורמת להם לנוע לאורך מסלולים ספציפיים כך שהחלקיקים עוקבים זה אחר זה (העיגולים הצהובים הם תיעוד הניסוי של התנועה של כל חלקיק). קרדיט: Equinox Graphics
כוונון שלבי קרן לייזר
במחקר זה, החוקרים כוונו את שלבי קרן הלייזר ואת המרחק בין החלקיקים על מנת לשלוט באינטראקציות. "מה שאני הכי אוהב בזה הוא שאנחנו שולטים במודל הפיזי עם מחשב, פשוט כמו תכנות משחק מחשב", אומר מנואל רייזנבאואר, חוקר הדוקטורט בצוות.
כתוצאה מכך, הם יצרו הפרעות בונה סביב חלקיק אחד והפרעות הרסניות סביב החלק השני. זה יצר לולאת משוב חיובית הדומה לדינמיקה של מרדף-בריחה.
"תזוזה קטנה של חלקיק אחד מאלצת את השני לתנועה, אשר בתורה מפעילה כוח חזק עוד יותר", מסביר Uroš Delić, המחבר הראשי של המאמר.
הצוות תיאר את תנועת החלקיקים בפינצטה שלהם ללא אינטראקציה כאנלוגית לתנופה. כאשר יושמו אינטראקציות אנטי-הדדיות, ה"תנודות" החלו לעקוב זה אחר זה, ושברו את סימטריית היפוך זמן זוגיות. הדרך הפשוטה ביותר לראות את זה היא פשוט לשחק את "הסרט" לאחור: באמצעות האנלוגיה של טורף-טרף, נראה שהחלקיקים הופכים תפקידים.
Amplified Amplitude
לולאת המשוב החיובי מאינטראקציה אנטי-הדדית גם הגבירה את אמפליטודות התנופה של שני החלקיקים. כאשר האינטראקציה התחזקה מהחיכוך, החלקיקים התנדנדו ברציפות, תוך שמירה על משרעת תנודה קבועה, והדגימו דינמיקה לא ליניארית.
"מערכת זו מיוחדת מכיוון שהיא כוללת כוחות לא הדדיים ולא ליניאריים, בדומה לדוגמאות טבעיות רבות", אומר בנג'מין סטיקלר מאוניברסיטת Ulm, התיאורטיקן הראשי של העבודה. "הדינמיקה הביאה לשלב הגבלה של מחזור, שבו תנועות החלקיקים דומות לתנודות המסתובבות במלואן מסביב לקורה העליונה בעודן עוקבות זו אחר זו."
פתרון הגבלת המחזור הוא מושג כללי שנמצא בדיסציפלינות רבות, כולל פיזיקת לייזר, ציור אנלוגיות בין תנועה ננו-מכנית ודינמיקה של לייזר.
הגבלת שלב מחזור ויישומים
"התרשמנו מההסכמה הטובה בין המודל התיאורטי לנתונים הניסויים", אומר אורוש דליץ'. "זה מצביע על כך שהמערכת שלנו אידיאלית להתבוננות דינמיקה קולקטיבית לא הדדית עשירה עוד יותר בעת לכידה של אנסמבלים גדולים יותר של חרוזים."
המחברים מאמינים שלכוחות לא הדדיים יהיו יישומים רבים בחיישת כוח ומומנט. בנוסף, שילוב של תוצאות אלה עם שיטות להבאת תנועת חרוזים כלואים למשטר הקוונטי יכול לפתוח מחקר חדש על מערכות קוונטיות של מעט גוף שאינן הדדיות.
