Фундаментальные силы, такие как гравитация и электромагнетизм, взаимообусловлены, то есть два объекта либо притягивают, либо отталкивают друг друга. Однако при некоторых более сложных взаимодействиях, возникающих в природе, эта симметрия нарушается и существует некоторая форма невзаимности. Например, взаимодействие между хищником и жертвой по своей сути является невзаимным, поскольку хищник хочет поймать добычу (притягивается к ней), а последняя хочет убежать (отталкивается). Неэрмитова динамика описывает аналогичные невзаимные системы в квантовой механике, включая диссипацию, усиление и неконсервативные взаимодействия. Такая динамика наблюдается в фотонных, атомных, электрических и оптомеханических платформах и обладает потенциалом для применения в зондировании и исследовании открытых квантовых систем. Теперь команда Венского университета сделала первые конкретные шаги в этом направлении, наблюдая нелинейную и неэрмитову динамику невзаимно связанных наночастиц.

Столешница и стекло

Под руководством Уроша Делича (Uroš Delić) из Венского центра квантовой науки и технологий (VCQ) исследователи разработали настольный эксперимент, в котором две стеклянные наночастицы колеблются в разных оптических щипчиках, взаимодействуя так, как если бы одна из них была хищником, а другая - добычей. Оптический пинцет, впервые разработанный Нобелевским лауреатом 2018 года Артуром Эшкином, изолирует движение частиц от окружающей среды и делает систему легко настраиваемой. Предыдущие эксперименты показали, что близко расположенные частицы рассеивают свет от пинцета навстречу друг другу, что приводит к интерференциям, создающим оптические силы, которые могут быть невзаимными.

В этом исследовании исследователи настроили фазы лазерного луча и расстояние между частицами, чтобы контролировать взаимодействие. "Что мне больше всего нравится в этом, так это то, что мы управляем физической моделью с помощью компьютера, это так же просто, как программировать компьютерную игру", - говорит Мануэль Райзенбауэр, доктор философии, исследователь из команды. В результате они создали конструктивную интерференцию вокруг одной частицы и деструктивную интерференцию вокруг другой. Это создало положительную обратную связь, напоминающую динамику погони и бегства. "Небольшое смещение одной частицы приводит в движение другую, которая, в свою очередь, оказывает еще более сильное воздействие", - объясняет Урош Делич, ведущий автор статьи.

Команда ученых описала движение частиц в соответствующих пинцетах без взаимодействия как аналогичное колебаниям. Когда были применены обратные взаимодействия, "колебания" начали следовать друг за другом, нарушая симметрию изменения четности во времени. Самый простой способ увидеть это - просто прокрутить "фильм" назад: используя аналогию с хищником и жертвой, частицы, по-видимому, меняются ролями.

Усиленная амплитуда

Положительная обратная связь, возникающая в результате взаимообратного взаимодействия, также увеличивала амплитуды колебаний обеих частиц. Когда взаимодействие становилось сильнее трения, частицы непрерывно раскачивались, сохраняя постоянную амплитуду колебаний, демонстрируя нелинейную динамику. "Эта система особенная, потому что в ней действуют невзаимные и нелинейные силы, аналогичные многим природным примерам", - говорит Бенджамин Стиклер из Ульмского университета, ведущий теоретик этой работы. "Динамика привела к фазе предельного цикла, когда движения частиц напоминают качели, полностью вращающиеся вокруг верхнего луча, но при этом следующие друг за другом". Решение о предельном цикле - это общая концепция, используемая во многих дисциплинах, включая лазерную физику, которая проводит аналогии между наномеханическим движением и лазерной динамикой.

"Мы были впечатлены хорошим согласием между теоретической моделью и экспериментальными данными", - говорит Урош Делич. "Это говорит о том, что наша система идеально подходит для наблюдения еще более насыщенной коллективной невзаимной динамики при улавливании крупных ансамблей шариков". Авторы полагают, что невзаимные взаимодействия найдут множество применений в измерении силы и крутящего момента. Кроме того, объединение этих результатов с методами приведения движения захваченного шарика в квантовый режим может открыть новые возможности для изучения невзаимно взаимодействующих квантовых систем из нескольких тел.