Ilustrasi ilmiah dari percobaan di mana dua partikel dalam dua sinar laser digandengkan secara nonresiprokal melalui cahaya yang tersebar di antara keduanya. Interaksi ini membuat mereka bergerak sepanjang orbit tertentu sehingga partikel-partikel tersebut saling mengikuti (lingkaran kuning adalah rekaman percobaan dari gerakan setiap partikel). Kredit: Equinox Graphics
Analogi Predator-Mangsa: Interaksi Baru Antar Partikel Diaktifkan
Dengan menggunakan dua nanopartikel kaca yang terperangkap secara optik, para peneliti mengamati dinamika kolektif Non-Hermitian dan nonlinier baru yang didorong oleh interaksi non-timbal balik. Kontribusi ini memperluas levitasi optik tradisional dengan susunan penjepit dengan menggabungkan apa yang disebut interaksi non-konservatif. Temuan mereka, yang didukung oleh model analitis yang dikembangkan oleh kolaborator dari Universitas Ulm dan Universitas Duisburg-Essen, baru-baru ini diterbitkan dalam Fisika Alam.
Memahami Interaksi Non-timbal Balik
Gaya fundamental seperti gravitasi dan elektromagnetisme bersifat timbal balik, artinya dua objek saling tarik menarik atau tolak menolak. Akan tetapi, untuk beberapa interaksi yang lebih kompleks yang muncul di alam, simetri ini rusak dan beberapa bentuk nontimbal balik muncul. Misalnya, interaksi antara predator dan mangsa pada dasarnya bersifat nontimbal balik karena predator ingin menangkap (tertarik pada) mangsa dan mangsa ingin melarikan diri (tertolak).
Dinamika Non-Hermitian menggambarkan sistem non-resiprokal serupa dalam mekanika kuantum dengan menggabungkan disipasi, penguatan, dan interaksi non-konservatif. Dinamika ini diamati dalam platform fotonik, atomik, listrik, dan optomekanikal dan berpotensi untuk aplikasi penginderaan dan penjelajahan sistem kuantum terbuka. Kini, tim Universitas Wina telah membuat langkah konkret pertama ke arah ini dengan mengamati dinamika nonlinier dan Non-Hermitian dengan nanopartikel yang digabungkan secara non-resiprokal.
Meja & Kaca
Dipimpin oleh Uroš Delić dari Pusat Sains dan Teknologi Kuantum Wina (VCQ), para peneliti mengembangkan eksperimen meja di mana dua nanopartikel kaca berosilasi dalam penjepit optik yang berbeda, berinteraksi seolah-olah yang satu adalah predator dan yang lainnya adalah mangsa.
Penjepit optik, sebuah teknik yang dipelopori oleh Pemenang Nobel 2018 Arthur Ashkin, mengisolasi gerakan partikel dari lingkungan dan membuat sistem tersebut sangat dapat disetel. Eksperimen sebelumnya menunjukkan bahwa partikel yang berjarak dekat menyebarkan cahaya penjepit ke arah satu sama lain, yang menyebabkan interferensi yang menciptakan gaya optik, yang dapat bersifat non-timbal balik.
Ilustrasi ilmiah dari percobaan di mana dua partikel dalam dua sinar laser digandengkan secara nonresiprokal melalui cahaya yang tersebar di antara keduanya. Interaksi ini membuat mereka bergerak sepanjang orbit tertentu sehingga partikel-partikel tersebut saling mengikuti (lingkaran kuning adalah rekaman percobaan dari gerakan setiap partikel). Kredit: Equinox Graphics
Penyetelan Fase Sinar Laser
Dalam studi ini, para peneliti menyetel fase sinar laser dan jarak antar partikel untuk mengendalikan interaksi. “Yang paling saya sukai dari ini adalah kami mengendalikan model fisik dengan komputer, semudah memprogram gim komputer,” kata Manuel Reisenbauer, peneliti PhD dalam tim tersebut.
Hasilnya, mereka menghasilkan interferensi konstruktif di sekitar satu partikel dan interferensi destruktif di sekitar partikel lainnya. Hal ini menciptakan siklus umpan balik positif yang menyerupai dinamika kejar-lari.
“Perpindahan kecil satu partikel memaksa partikel lain bergerak, yang pada gilirannya memberikan gaya yang lebih kuat,” jelas Uroš Delić, penulis utama makalah tersebut.
Tim menggambarkan gerakan partikel di penjepitnya masing-masing tanpa interaksi sebagai analogi ayunan. Ketika interaksi anti-timbal balik diterapkan, “ayunan” mulai mengikuti satu sama lain, sehingga merusak simetri pembalikan paritas-waktu. Cara paling sederhana untuk melihatnya adalah dengan memutar “film” secara terbalik: menggunakan analogi pemangsa-mangsa, partikel tampak bertukar peran.
Amplitudo yang Diperkuat
Lingkaran umpan balik positif dari interaksi anti-timbal balik juga memperkuat amplitudo ayunan kedua partikel. Ketika interaksi menjadi lebih kuat daripada gesekan, partikel berayun terus-menerus, mempertahankan amplitudo osilasi yang konstan, menunjukkan dinamika nonlinier.
“Sistem ini istimewa karena memiliki gaya non-resiprokal dan non-linier, mirip dengan banyak contoh alami,” kata Benjamin Stickler dari Universitas Ulm, ahli teori utama dalam penelitian ini. “Dinamika menghasilkan fase siklus batas, di mana gerakan partikel menyerupai ayunan yang berputar penuh di sekitar balok atas sambil tetap mengikuti satu sama lain.”
Solusi siklus batas adalah konsep umum yang ditemukan dalam banyak disiplin ilmu, termasuk fisika laser, yang menggambarkan analogi antara gerak nanomekanis dan dinamika laser.
Tahapan Siklus Batas dan Aplikasi
“Kami terkesan dengan kesesuaian yang baik antara model teoritis dan data eksperimen,” kata Uroš Delić. “Hal ini menunjukkan bahwa sistem kami ideal untuk mengamati dinamika nonresiprokal kolektif yang lebih kaya saat menangkap kumpulan manik-manik yang lebih besar.”
Para penulis percaya bahwa gaya non-timbal balik akan memiliki banyak aplikasi dalam penginderaan gaya dan torsi. Selain itu, menggabungkan hasil ini dengan metode untuk membawa gerakan manik yang terperangkap ke dalam rezim kuantum dapat membuka penelitian baru ke dalam sistem beberapa-tubuh kuantum yang berinteraksi secara non-timbal balik.
Referensi: “Dinamika non-Hermitian dan non-timbal balik nanopartikel yang digabungkan secara optik” oleh Manuel Reisenbauer, Henning Rudolph, Livia Egyed, Klaus Hornberger, Anton V. Zasedatelev, Murad Abuzarli, Benjamin A. Stickler dan Uroš Delić, 25 Juli 2024, Fisika Alam.
DOI: 10.1038/s41567-024-02589-8
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
