Durch Licht gebunden

Ein Team von Forscher*innen der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Duisburg-Essen haben einen neuen Mechanismus entdeckt, der die Wechselwirkung zwischen optisch levitierten Nanoteilchen auf fundamentale Weise ändert. Ihr Experiment zeigt ein bislang unerreichbares Maß an Kontrolle über die Kopplung in Anordnungen von Teilchen und schafft somit eine neue Plattform, um komplexe physikalische Phänomene zu untersuchen. Die Ergebnisse erscheinen in der jüngsten Ausgabe von "Science".

Stellen Sie sich vor, Staubteilchen schweben wahllos im Raum herum. Wenn man einen Laser einschaltet, werden die Teilchen Lichtkräfte erfahren und sobald ein Teilchen zu nahe an den Laserstrahl gelangt, wird dieses im Fokus des Strahls gefangen werden. Dies ist die Grundlage von Arthur Ashkins bahnbrechender Nobelpreisarbeit über optische Pinzetten. Wenn sich zwei oder mehr Teilchen in der näheren Umgebung befinden, kann Licht zwischen ihnen hin und her reflektiert werden, so dass stehende Lichtwellen entstehen, in welchen die Teilchen sich selbst ausrichten – wie ein Kristall aus Teilchen, die durch Licht gebunden sind. Dieses Phänomen, auch "optical binding" genannt, ist seit 30 Jahren bekannt und untersucht.

So war es eine ziemliche Überraschung für die Forscher*innen in Wien, als sie bei der Untersuchung der Kräfte zwischen zwei Nanoteilchen aus Glas ein völlig anderes Verhalten als erwartet sahen. Nicht nur konnten sie die Stärke und das Vorzeichen der Bindungskraft ändern, sie konnten sogar ein Teilchen sehen, z.B. das linke Teilchen, das auf das rechte Teilchen wirkte, ohne dass das rechte auf das linke zurückwirkte. Was wie eine Verletzung des dritten Newtonschen Gesetzes aussieht – alles, worauf eingewirkt wird, wirkt mit derselben Kraft, aber entgegengesetztem Vorzeichen zurück – ist ein sogenanntes nicht-reziprokes Verhalten und tritt in Situationen auf, in denen ein System Energie an seine Umgebung verlieren kann, in diesem Fall der Laser. Offensichtlich fehlte etwas in der derzeitigen Theorie von optical binding.

Der geheime Trick hinter diesem neuen Verhalten ist die "kohärente Streuung", ein Phänomen, das die Wiener Wissenschaftler*innen bereits seit einigen Jahren erforschen. Wenn Laserlicht ein Nanoteilchen trifft, polarisiert sich die Materie im Teilchen und folgt der Oszillation der elektromagnetischen Welle des Lichts. Demzufolge oszilliert alles Licht, das vom Teilchen gestreut wird, in Phase mit dem einfallenden Laser. Wellen, die in Phase sind, können zur Interferenz gebracht werden. Kürzlich nützten die Wiener Forscher*innen diesen durch kohärente Streuung verursachten Interferenz-Effekt, um erstmalig ein einzelnes Nanoteilchen bei Raumtemperatur auf dessen Quantengrundzustand der Bewegung zu kühlen.

Als Uroš Delić, ein Senior Scientist in der Gruppe von Markus Aspelmeyer an der Universität Wien und Erstautor der früheren Arbeit zur Kühlung, begann, kohärente Streuung auf zwei Teilchen anzuwenden, erkannte er, dass zusätzliche Interferenzeffekte auftreten. "Licht, das von einem Teilchen gestreut wird, kann mit dem Licht interferieren, das das andere Teilchen fängt", erklärt Delić. "Falls die Phase zwischen diesen Lichtfeldern eingestellt werden kann, so können auch Stärke und Beschaffenheit der Kräfte zwischen den Teilchen eingestellt werden." Für einen Satz von Phasen erhält man wieder das bekannte optical binding. Für andere Phasen jedoch treten bislang unbeobachtete Effekte auf wie beispielsweise nicht-reziproke Kräfte. "Es stellt sich heraus, dass bisherige Theorien weder kohärente Streuung noch die Tatsache, dass Photonen auch verloren gehen, berücksichtigt haben. Wenn man diese zwei Prozesse hinzufügt, erhält man viel reichhaltigere Wechselwirkungen als bisher für möglich gedacht.", sagt Benjamin Stickler, ein Teammitglied aus Deutschland, der an der präzisierten theoretischen Beschreibung arbeitet. "Frühere Experimente waren für diese Effekte auch nicht empfindlich genug."

Das Wiener Team wollte dies ändern und machte sich daran, diese neuen Licht-induzierten Kräfte in einem Experiment zu erforschen. Um dies zu erreichen, erzeugten sie mit einem Laser zwei optische Strahlen, von denen jeder ein einzelnes Glasnanoteilchen von ungefähr 200nm Größe (ca. 1.000mal kleiner als ein typisches Sandkorn) fängt. In ihrem Experiment konnten sie nicht nur den Abstand und die Intensität der Strahlen sondern auch die relative Phase zwischen diesen ändern. Die Position jedes Teilchens oszilliert mit der von der Falle vorgegebenen Frequenz, und kann mit hoher Genauigkeit im Experiment kontrolliert werden. Da jede Kraft auf die gefangenen Teilchen diese Frequenz ändert, ist es möglich, die Kräfte zwischen ihnen zu verfolgen, während Phase und Abstand geändert werden. Um sicherzustellen, dass die Kräfte durch Licht und nicht durch das Gas zwischen den Teilchen hervorgerufen werden, wurde das Experiment im Vakuum durchgeführt. So konnten die Forscher*innen das Vorhandensein der neuen Licht-induzierten Kräfte zwischen den gefangenen Teilchen bestätigen. "Die Kopplungen, die wir sehen, sind mehr als zehnmal größer als vom konventionellen optical binding erwartet", sagt Doktorand Jakob Rieser, Erstautor der Studie. "Und wir sehen klare Signaturen von nicht-reziproken Kräften, wenn wir diese Laserphasen ändern, ganz wie in unserem neuen Modell vorhergesagt."

Die Forscher*innen glauben, dass ihre Erkenntnisse zu neuen Wegen führen werden, um komplexe Phänomene in Vielteilchensystemen zu untersuchen. "Der Weg, um zu verstehen, was in wirklich komplexen Systemen vor sich geht, ist typischerweise Modellsysteme mit gut kontrollierten Wechselwirkungen zu studieren.", sagt der leitende Forscher Uroš Delić. "Das wirklich Faszinierende daran ist, dass wir einen völlig neuen Werkzeugkasten gefunden haben, um Wechselwirkungen in Anordnungen von levitierten Teilchen zu kontrollieren." Die Forscher*innen lassen sich dabei auch von der Atomphysik inspirieren, wo vor vielen Jahren die Fähigkeit, Wechselwirkungen zwischen Atomen in optischen Gittern zu kontrollieren, das Feld der Quantensimulatoren begründete. "Die Möglichkeit, dies nun auf der Ebene der Festkörpersysteme anzuwenden, könnte einen ähnlichen Wandel bewirken."

Originalpublikation in Science:

Jakob Rieser, Mario A. Ciampini, Henning Rudolph, Nikolai Kiesel, Klaus Hornberger, Benjamin A. Stickler, Markus Aspelmeyer and Uroš Delić

"Tunable light-induced dipole-dipole interaction between optically levitated nanoparticles"

DOI: 10.1126/science.abp9941

Abbildungen:

Abb. 1: Jakob Rieser arbeitet an einem Experiment, das eine nicht-reziproke optische Wechselwirkung zwischen zwei optisch gefangenen Nanopartikeln zeigte.  Copyright: Iurie Coroli, University of Vienna

Abb. 2: Künstlerische Darstellung der Wechselwirkung zwischen zwei Nanopartikeln durch nicht reziproke lichtinduzierte Kräfte. Copyright: Equinox Graphics Ltd., University of Vienna

Abb. 3: Der Wiener Experimentalphysiker Jakob Rieser prüft den Nachweis von zwei optisch eingefangenen Nanopartikeln, die auf dem Computerbildschirm im Hintergrund zu sehen sind. Copyright: Iurie Coroli, University of Vienna