实验的科学插图，其中两个激光束中的两个粒子通过它们之间的散射光非互易耦合。这种相互作用使它们沿着特定的轨道移动，使得粒子彼此跟随（黄色圆圈是每个粒子运动的实验记录）。图片来源：Nature Physics。DOI： 10.1038/s41567-024-02589-8
使用两种光学捕获的玻璃纳米粒子，研究人员观察到了一种由非互易相互作用驱动的新型集体非厄米特和非线性动力学。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，发表在《自然物理学》上。
重力和电磁力等基本力是互易的，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，并且存在某种形式的非互惠性。例如，捕食者和猎物之间的相互作用本质上是非互惠的，因为捕食者想要抓住猎物（被吸引），而猎物想要逃跑（被排斥）。
非厄米特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、电气和光机械平台中被观察到，在传感应用和探索开放量子系统方面具有潜力。
现在，维也纳大学的一个团队通过观察非互易耦合纳米粒子的非线性和非厄米特动力学，已经朝着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的领导下，研究人员开发了一种桌面实验，其中两个玻璃纳米颗粒在不同的光学镊子中振荡，相互作用，就好像一个是捕食者，另一个是猎物。
光学镊子是 2018 年诺贝尔奖获得者亚瑟·阿什金 （Arthur Ashkin） 首创的一项技术，可将粒子运动与环境隔离开来，并使系统具有高度可调性。先前的实验表明，紧密间隔的粒子将镊子光相互散射，导致干涉产生光学力，这可能是非互易的。
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。“我最喜欢的一点是，我们用计算机控制物理模型，就像编程电脑游戏一样简单，”该团队的博士研究员Manuel Reisenbauer说。
结果，它们在一个粒子周围产生建设性干涉，在另一个粒子周围产生相破坏性干涉。这创造了一个正反馈循环，类似于追逐-失控的动态。“一个粒子的小位移迫使另一个粒子运动，这反过来又施加了更强的力，”该论文的资深作者Delić解释说。
该团队将粒子在各自的镊子中的运动描述为没有相互作用，类似于摆动。当应用反互惠交互时，“摆动”开始相互跟随，打破了奇偶校验时间反转对称性。最简单的观察方式就是简单地将“电影”倒过来：使用捕食者-猎物的类比，粒子似乎颠倒了角色。
放大幅度反互惠相互作用产生的正反馈回路也放大了两种粒子的摆动幅度。当相互作用变得比摩擦力更强时，粒子连续摆动，保持恒定的振荡幅度，表现出非线性动力学。
“这个系统很特别，因为它具有非互易和非线性力，类似于许多自然例子，”来自乌尔姆大学的本杰明·斯蒂克勒（Benjamin Stickler）说，他是这项工作的首席理论家。
“动力学导致了一个极限循环阶段，在这个阶段，粒子运动类似于围绕顶梁完全旋转的摆动，同时仍然相互跟随。”极限循环解是包括激光物理学在内的许多学科中发现的通用概念，在纳米机械运动和激光动力学之间进行类比。
“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，在捕获更大的珠子集合时，我们的系统非常适合观察更丰富的集体非互易动力学。
作者认为，非往复力将在力和扭矩传感方面有许多应用。此外，将这些结果与将俘获珠运动引入量子态的方法相结合，可以开启对非互惠相互作用量子少数体系统的新研究。
更多信息：Manuel Reisenbauer 等人，光学耦合纳米粒子的非厄米特动力学和非互易性，《自然物理学》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02589-8
期刊信息： Nature Physics
