研究人员利用两个光学捕获的玻璃纳米粒子观察到一种由非互易相互作用驱动的新型集体非厄米和非线性动力学。这一贡献通过结合非保守相互作用扩展了传统的镊子阵列光学悬浮。

他们的研究结果得到了乌尔姆大学和杜伊斯堡-埃森大学合作者开发的分析模型的支持，该研究结果发表在《自然物理学》杂志上。

重力和电磁力等基本力是相互的，这意味着两个物体要么相互吸引，要么相互排斥。然而，对于自然界中出现的一些更复杂的相互作用，这种对称性被打破，存在某种形式的非互易性。例如，捕食者和猎物之间的相互作用本质上是非互易的，因为捕食者想要捕捉猎物(被吸引)，而猎物想要逃跑(被排斥)。

非厄米动力学通过结合耗散、增益和非保守相互作用来描述量子力学中类似的非互易系统。这些动力学在光子、原子、电和光机械平台中都有观察到，并且具有传感应用和探索开放量子系统的潜力。

现在，维也纳大学的一个研究小组通过观察非互易耦合纳米粒子的非线性和非厄米动力学，朝这个方向迈出了第一步。

桌面和玻璃

在维也纳量子科学与技术中心(VCQ)的UrošDelić的带领下，研究人员开发了一项桌面实验，其中两个玻璃纳米粒子在不同的光镊中振荡，相互作用，就好像一个是捕食者，另一个是猎物。

光镊技术由2018年诺贝尔奖获得者亚瑟·阿什金首创，它将粒子运动与环境隔离开来，使系统高度可调。先前的实验表明，间距很近的粒子会将光镊光散射到彼此，从而产生干涉，产生光力，这种光力可能是非互易的。

在这项研究中，研究人员调整了激光束相位和粒子之间的距离，以控制相互作用。“我最喜欢的是，我们用电脑控制物理模型，就像编程电脑游戏一样简单，”该团队的博士研究员ManuelReisenbauer说。

结果，它们在一个粒子周围产生了建设性干扰，在另一个粒子周围产生了破坏性干扰。这形成了一个正反馈回路，类似于追逐-逃逸动态。“一个粒子的微小位移迫使另一个粒子运动，这反过来又产生了更强的力，”该论文的资深作者Delić解释说。

研究小组将粒子在各自镊子中的运动描述为无相互作用的摆动。当施加反互易相互作用时，“摆动”开始相互跟随，从而打破了宇称-时间反演对称性。最简单的理解方法是倒放“影片”：使用捕食者-猎物类比，粒子似乎互换了角色。

放大幅度

反相互作用产生的正反馈回路也放大了两个粒子的摆动幅度。当相互作用变得比摩擦强时，粒子会持续摆动，保持恒定的振荡幅度，表现出非线性动力学。

“该系统很特殊，因为它具有非互易和非线性力，类似于许多自然例子，”这项工作的首席理论家、乌尔姆大学的本杰明·斯蒂克勒(BenjaminStickler)说。

“这种动力学导致了极限环阶段，其中粒子运动类似于完全围绕顶部光束旋转但仍然相互跟随的摆动。”极限环解决方案是许多学科中发现的一般概念，包括激光物理学，将纳米机械运动与激光动力学进行类比。

“理论模型和实验数据之间的良好一致性给我们留下了深刻的印象，”Delić说。“这表明我们的系统非常适合在捕获更大的珠子集合时观察更丰富的集体非互易动力学。”

作者认为非互易力将在力和扭矩传感方面有众多应用。此外，将这些结果与将捕获珠子运动引入量子态的方法相结合，可以开启非互易相互作用量子少体系统的新研究。

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