Odborníci z Ústavu prístrojovej techniky (ÚPT) AV ČR ponúkli univerzálny nástroj, ktorý umožňuje dynamicky meniť povahu svetelnej interakcie medzi nanočasticami a sledovať tzv. nelineárne správanie otvoreného (nehermitovského) systému. Praktické pochopenie týchto nanosystémov, ktoré interagujú s okolím, je kľúčové i pre ďalší technologický pokrok, napríklad v oblasti výmeny energie, zvýšení citlivosti senzorov alebo rozvoja kvantových technológií.
Tím z ÚPT AV ČR už niekoľko desaťročí systematicky využíva silové účinky svetla pre praktické aplikácie, napríklad ako kompaktné optické pinzety pre bezkontaktnú manipuláciu s mikroorganizmami a nanoobjektmi, svetelný ťažný zväzok alebo svetelnú triedičku mikroobjektov. V ostatných rokochch optické sily tvoria vhodný nástroj i pre experimentálne modelové systémy, ktoré poskytujú hlbšie pochopenie fyzikálnych dejov v nanosvete a na rozhraní klasickej a kvantovej fyziky.
„Práca publikovaná v časopise Nature Physics predstavuje experimentálny systém s dvomi sklenenými nanočasticami, ktoré levitujú vo svetelných zväzkoch. Je unikátny v tom, že umožňuje „prepínať“ fyzikálnu povahu svetelného pôsobenia medzi časticami. Táto vlastnosť upútala i našich kolegov na Viedenskej univerzite, ktorí publikovali štúdiu inej geometrie v rovnakom čísle,“ hovorí Oto Brzobohatý, vedúci výskumnej skupiny Levitačnej fotoniky ÚPT AV ČR.
Prečo je experimentálny modelový systém zaujímavý?
Fyzika často opisuje realitu pomocou zjednodušených modelov, ktoré vysvetľujú podstatu pozorovaných javov a odhaľujú zákonitosti, ktorými sa realita riadi. S rozvojom technológií možno pozorovať stále viac detailov a nájsť hranice platnosti starých modelov, čo vedie k ich revízi – napríklad newtonovská dynamika verzus špeciálna teória relativity, klasický opis atómu verzus kvantový.
A práve zavedený kvantový opis sa zameriava najmä na tzv. hermitovské systémy, ktoré sú izolované a neinteragujú s okolím. Táto vlastnosť zaistí, že ich kvantovo-matematický opis merateľných veličín vždy poskytuje reálne čísla, ktoré je možné namerať.
Na rozdiel od hermitovských systémov tie nehermitovské zahŕňajú i interakciu s okolím, vykazujú útlm alebo zosilnenie, a tak bližšie opisujú reálne systémy. V ich prípade matematický opis veličín pre vhodné kombinácie parametrov môže poskytnúť tiež hodnoty reálne, ale častejšie poskytuje hodnoty s reálnou i imaginárnou zložkou.
„Systém potom napríklad exponenciálne zvyšuje svoju výchylku a stáva sa nestabilným. Pri veľkých výchylkách sa však už mení správanie systému, prestáva mať lineárnu odpoveď na výchylku a prejavuje sa nelineárne správanie. Vhodná nelinearita môže zastaviť nárast výchyliek, systém sa stabilizuje a vytvorí sa tzv. limitný cyklus oscilujúci s výrazne vyššou výchylkou. Malá zmena, napríklad jedného parametra systému, potom vedie k veľkej zmene v správaní systému, čo vytvára ideálny základ pre citlivý senzor,“ vysvetľuje výhody nelineárneho nehermitovského systému Pavel Zemánek, vedúci oddelenia Mikrofotoniky ÚPT AV ČR.
„Sklenené nanoguličky vo svetle“ ako široko laditeľný nehermitovský experimentálny systém
V ÚPT AV ČR využili experimentálnu platformu s kremičitými nanočasticami, ktoré boli zachytené vo vákuu v laserových zväzkoch. Interakcia nanočastíc s okolím sa tak obmedzila iba na dobre kontrolované silové pôsobenie fotónov dopadajúcich laserových zväzkov alebo fotónov rozptýlených od druhej nanočastice.
Nanočastice potom tvoria miniatúrne oscilátory, ktoré sú vzájomne zviazané rozptýlenými fotónmi a v priestore periodicky kmitajú ako malilinké guľôčky v okolí dna jamôčky alebo kyvadla hodín.
„Unikátna je možnosť jedným parametrom laserového zväzku zmeniť medzičasticovú interakciu napríklad z recipročnej, keď je systém hermitovský a medzičasticové sily po vychýlenie častice majú opačný smer (rovnako ako napríklad gravitačná alebo elektrostatická sila), na nerecipročné, keď je systém nehermitovský a laserový zväzok ‚tlačí‘ obe častice rovnakým smerom. I v druhom prípade nanočastice kmitajú okolo svojich rovnovážnych polôh pri určitých výkonoch zväzkov, avšak pri ich odchyľovaní začnú zvyšovať amplitúdu kmitov až do okamihu, keď zasiahne nelinearita silovej interakcie a ich pohyb sa stabilizuje do tzv. limitného cyklu. V práci sme študovali práve taký prechod nehermitovského systému a jeho vlastnosti,“ vysvetľuje Oto Brzobohatý.
Budú levitujúce nanočastice súčasťou kvantových technológií?
Aj keď sú nanočastice stonásobne menšie než priemer ľudského vlasu, z pohľadu kvantovej fyziky sú stále veľmi veľké na to, aby vykazovali kvantové správanie.
„Zatiaľ existuje len niekoľko experimentov, ktoré naznačujú, že levitujúce nanočastice už otvorili dvere do kvantového sveta a správajú sa ako kvantový oscilátor. Stále však chýba experiment, v ktorom by sa preukázali merateľným kvantovým efektom, podobne ako napríklad laserom chladené ióny. My zatiaľ ostávame s experimentmi v klasickej fyzike,“ vysvetľuje Pavel Zemánek.
„Zvolená experimentálna platforma nám umožňuje rádovo navýšiť počet interagujúcich nanočastíc a navyše rozšíriť experimenty i na interakciu nanočastíc s chladnými iónmi v laboratóriách našich kolegov v ÚPT AV ČR i na Univerzite Palackého v Olomouci. Tým by sme sa experimentálne priblížili režimu viazaných hybridných kvantových oscilátorov, ktoré sú považované za jeden zo stavebných kameňov budúcich kvantových technológií,“ uzatvára Pavel Zemánek.
Autori: prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D.
Ústav přístrojové techniky AV ČR
Mgr. Oto Brzobohatý, Ph.D.
Ústav přístrojové techniky AV ČR.
Prevzaté zo stránky Akadémie vied ČR.