Interações não recíprocas se tornam não lineares: como as nanopartículas estão mudando as regras da física

Analogia predador-presa: nova interação entre partículas habilitada

Usando duas nanopartículas de vidro opticamente aprisionadas, pesquisadores observaram uma nova dinâmica coletiva não-hermitiana e não-linear conduzida por interações não recíprocas. Esta contribuição expande a levitação óptica tradicional com matrizes de pinças ao incorporar as chamadas interações não conservativas. Suas descobertas, apoiadas por um modelo analítico desenvolvido por colaboradores da Universidade de Ulm e da Universidade de Duisburg-Essen, foram publicadas recentemente em Física da Natureza.

Compreendendo interações não recíprocas

Forças fundamentais como gravidade e eletromagnetismo são recíprocas, o que significa que dois objetos se atraem ou se repelem. No entanto, para algumas interações mais complexas que surgem na natureza, essa simetria é quebrada e existe alguma forma de não reciprocidade. Por exemplo, a interação entre um predador e uma presa é inerentemente não recíproca, pois o predador quer capturar (é atraído por) a presa e esta quer escapar (é repelida).

A dinâmica não-hermitiana descreve sistemas não recíprocos semelhantes na mecânica quântica ao incorporar dissipação, ganho e interações não conservativas. Essas dinâmicas são observadas em plataformas fotônicas, atômicas, elétricas e optomecânicas e têm potencial para aplicações de detecção e exploração de sistemas quânticos abertos. Agora, uma equipe da Universidade de Viena deu os primeiros passos concretos nessa direção ao observar a dinâmica não linear e não-hermitiana com nanopartículas acopladas não reciprocamente.

Mesa e vidro

Liderados por Uroš Delić, do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Viena (VCQ), os pesquisadores desenvolveram um experimento de mesa onde duas nanopartículas de vidro oscilam em pinças ópticas distintas, interagindo como se uma fosse um predador e a outra uma presa.

Pinças ópticas, uma técnica pioneira do ganhador do prêmio Nobel de 2018 Arthur Ashkin, isolam o movimento das partículas do ambiente e tornam o sistema altamente ajustável. Experimentos anteriores mostraram que partículas muito próximas espalham a luz da pinça uma em direção à outra, levando a interferências que criam forças ópticas, que podem ser não recíprocas.

Ilustração científica do experimento em que duas partículas em dois feixes de laser são acopladas não reciprocamente por meio de luz espalhada entre elas. Essa interação as faz se mover ao longo de órbitas específicas, de modo que as partículas seguem uma à outra (os círculos amarelos são os registros experimentais do movimento de cada partícula). Crédito: Equinox Graphics

Ajuste das fases do feixe de laser

Neste estudo, os pesquisadores ajustaram as fases do feixe de laser e a distância entre as partículas para controlar as interações. “O que mais gosto nisso é que controlamos o modelo físico com um computador, tão simples quanto programar um jogo de computador”, diz Manuel Reisenbauer, pesquisador de doutorado da equipe.

Como resultado, eles produziram interferência construtiva em torno de uma partícula e interferência destrutiva em torno da outra. Isso criou um loop de feedback positivo que lembra uma dinâmica de perseguição e fuga.

“Um pequeno deslocamento de uma partícula força a outra a se mover, o que por sua vez exerce uma força ainda maior”, explica Uroš Delić, principal autor do artigo.

A equipe descreveu o movimento das partículas em suas respectivas pinças sem interação como análogo a um balanço. Quando interações anti-recíprocas foram aplicadas, os “balanços” começaram a seguir um ao outro, quebrando a simetria de reversão de tempo de paridade. A maneira mais simples de ver isso é simplesmente reproduzir o “filme” ao contrário: usando a analogia predador-presa, as partículas parecem inverter os papéis.

Amplitude amplificada

O loop de feedback positivo da interação anti-recíproca também amplificou as amplitudes de oscilação de ambas as partículas. Quando a interação se tornou mais forte que o atrito, as partículas balançaram continuamente, mantendo uma amplitude de oscilação constante, demonstrando dinâmica não linear.

“Este sistema é especial porque apresenta forças não recíprocas e não lineares, semelhantes a muitos exemplos naturais”, diz Benjamin Stickler da Universidade de Ulm, o principal teórico do trabalho. “A dinâmica resultou em uma fase de ciclo limite, onde os movimentos das partículas se assemelham a balanços girando completamente em torno da viga superior enquanto ainda seguem um ao outro.”

A solução do ciclo limite é um conceito geral encontrado em muitas disciplinas, incluindo a física do laser, traçando analogias entre o movimento nanomecânico e a dinâmica do laser.

Fase do ciclo limite e aplicações

“Ficamos impressionados com a boa concordância entre o modelo teórico e os dados experimentais”, diz Uroš Delić. “Isso sugere que nosso sistema é ideal para observar dinâmicas coletivas não recíprocas ainda mais ricas ao capturar conjuntos maiores de contas.”

Os autores acreditam que forças não recíprocas terão inúmeras aplicações em detecção de força e torque. Além disso, combinar esses resultados com métodos para trazer movimento de esferas presas para o regime quântico pode abrir novas pesquisas em sistemas quânticos de poucos corpos que interagem não reciprocamente.

Referência: “Dinâmica não hermitiana e não reciprocidade de nanopartículas opticamente acopladas” por Manuel Reisenbauer, Henning Rudolph, Livia Egyed, Klaus Hornberger, Anton V. Zasedatelev, Murad Abuzarli, Benjamin A. Stickler e Uroš Delić, 25 de julho de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02589-8