Представьте себе частицы пыли, беспорядочно плавающие по комнате. Когда лазер включен, частицы будут испытывать силы света, и как только частица подойдет слишком близко, она попадет в фокус луча. Это основа новаторской работы Артура Эшкина, получившего Нобелевскую премию по оптическим пинцетам. Когда две или более частиц находятся поблизости, свет может отражаться назад и вперед между ними, образуя стоячие волны света, в которых частицы самоустанавливаются подобно кристаллу частиц, связанных светом. Это явление, также называемое оптическим связыванием, известно и изучается уже более 30 лет.

Для исследователей из Вены стало полной неожиданностью, когда они увидели совершенно иное поведение, чем ожидалось при изучении сил между двумя стеклянными наночастицами. Они могли не только изменять силу и знак связующей силы, но они могли даже видеть, как одна частица, скажем, левая, воздействует на другую, правую, без обратного воздействия правой частицы на левую. То, что кажется нарушением третьего закона Ньютона (все, на что воздействуют, действует в ответ с той же силой, но противоположного знака), является так называемым невзаимным поведением и происходит в ситуациях, в которых система может терять энергию в окружающую среду, в данном случае лазер. Чего-то явно не хватало в нашей нынешней теории оптического связывания.

Секретным приемом, стоящим за этим новым поведением, является "когерентное рассеяние" - явление, которое венские исследователи уже изучали в течение последних лет. Когда лазерный луч попадает на наночастицу, вещество внутри частицы становится поляризованным и следует колебаниям электромагнитной волны света. Как следствие, весь свет, рассеянный частицей, колеблется в фазе с входящим лазером. Волны, которые находятся в фазе, можно заставить интерферировать. Недавно венские исследователи использовали этот интерференционный эффект, обеспечиваемый когерентным рассеянием, чтобы впервые охладить одиночную наночастицу при комнатной температуре до ее квантового основного состояния движения.

Когда Урош Делич, старший научный сотрудник группы Маркуса Аспельмейера из Венского университета и первый автор предыдущей работы по охлаждению, начал применять когерентное рассеяние к двум частицам, он понял, что возникают дополнительные интерференционные эффекты. "Свет, который рассеивается от одной частицы, может интерферировать со светом, который захватывает другую частицу", - объясняет Делич. "Если фазу между этими световыми полями можно настроить, то можно настроить и силу и характер взаимодействий между частицами". Для одного набора фаз восстанавливается хорошо известное оптическое связывание. Однако для других фаз возникают ранее ненаблюдаемые эффекты, такие как невзаимные силы. "Оказывается, что предыдущие теории не учитывали ни когерентное рассеяние, ни тот факт, что фотоны также теряются. Когда вы добавляете эти два процесса, вы получаете гораздо более насыщенные взаимодействия, чем считалось возможным", - говорит Бенджамин Стиклер, член команды из Германии, работающий над уточненным теоретическим описанием: "и прошлые эксперименты также не были чувствительны к этим эффектам".

Венская команда хотела изменить это и решила исследовать эти новые силы, индуцируемые светом, в эксперименте. Чтобы достичь этого, они использовали один лазер для генерации двух оптических лучей, каждый из которых захватывал одну стеклянную наночастицу размером около 200 нм (примерно в 1000 раз меньше обычной песчинки). В своем эксперименте они смогли изменить не только расстояние и интенсивность лучей-ловушек, но и относительную фазу между ними. Положение каждой частицы колеблется с частотой, заданной ловушкой, и может контролироваться с высокой точностью в эксперименте. Поскольку каждая сила, действующая на захваченную частицу, изменяет эту частоту, можно отслеживать силы между ними при изменении фазы и расстояния. Чтобы убедиться, что силы индуцируются светом, а не газом между частицами, эксперимент был проведен в вакууме. Таким образом, они могли бы подтвердить наличие новых сил, индуцированных светом, между захваченными частицами. "Соединения, которые мы видим, более чем в 10 раз больше, чем ожидалось при обычном оптическом связывании", - говорит аспирант Якоб Ризер, первый автор исследования. "И мы видим четкие признаки невзаимных сил, когда мы меняем фазы лазера, все в соответствии с предсказаниями нашей новой модели".

Исследователи полагают, что их идеи приведут к новым способам изучения сложных явлений в многочастичных системах. "Способ понять, что происходит в действительно сложных системах, как правило, заключается в изучении модельных систем с хорошо контролируемыми взаимодействиями". говорит ведущий исследователь Урош Делич. "Действительно захватывающая вещь здесь заключается в том, что мы нашли совершенно новый набор инструментов для управления взаимодействиями в массивах левитированных частиц". Исследователи черпают часть своего вдохновения также из атомной физики, где много лет назад способность управлять взаимодействиями между атомами в оптических решетках фактически положила начало области квантовых симуляторов. "Возможность применить это сейчас на уровне твердотельных систем могла бы аналогичным образом изменить правила игры".