特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
一、光誘導粒子相互作用
你相信“光可以移動物質”嗎？自1619年以來，科學家們一直在考慮這個問題，當時Johannes Kepler提出，因為陽光對彗星施加的力，彗星的尾巴正背離太陽。到1970年代，科學家們已經弄清楚如何使用激光束來推動、拉動和捕獲納米和微米尺度的物體。此外，光還可以引起粒子之間的相互作用，讓這些粒子之間“感知”到彼此的存在。
嵌入在波長遠大于粒子大小的激光場中的介電納米粒子在計算中可以被視為點。來自激光的電場會導致納米粒子中的電荷分布不均勻，可以將其視為與激光場一起振蕩的點狀電偶極子。如果電場不均勻，偶極子將受到一個力將其推向電場更強烈的地方。因為激光束在其焦點處更強烈，所以納米粒子被吸引到該點并且可以抵抗重力保持在適當的位置。
二、關鍵問題
光學捕獲的納米粒子陣列已成為研究復雜非平衡現象的平臺，但在研究過程中仍存在以下問題：
1、如何精確控制粒子之間的相互作用
懸浮在兩束激光中的兩個納米粒子在被照射時可以通過電偶極-偶極相互作用導致光學結合力。這種結合力可以是吸引或排斥的，并且大小可以變化。這取決于偶極子的相對方向和相位，以及偶極子之間的距離，所有這些都可以通過調整激光束來控制。但如何精確控制粒子之間的相互作用是要解決的關鍵問題。
2、迄今為止研究的光學相互作用僅提供有限可調性的保守光學結合力
充分利用光學捕獲的納米粒子陣列來研究復雜的非平衡現象需要超出當前光學結合框架的可控相互作用。
三、新思路
有鑒于此，維也納大學Uro? Deli?等人利用驅動光誘導偶極-偶極相互作用的光場之間的相位相干性來耦合兩個納米粒子，表明通過捕獲激光場的某些參數，可以控制兩個粒子如何相互作用，從而將捕獲激光束轉變為用于調整粒子間耦合的控制手柄。此外，作者有效地中斷了光學相互作用并觀察了帶電粒子之間的靜電耦合。該研究結果為開發具有可調非互易相互作用的相互作用納米粒子的完全可編程多體系統提供了一條途徑，這有助于探索懸浮納米粒子陣列中的糾纏和拓撲相，可用于研究先前方法無法實現的多體物理狀態探究。
技術方案：
1、顯示了兩個SiO2納米粒子之間完全可調諧和非互易的光學相互作用
作者展示了兩個SiO2納米粒子之間完全可調諧和非互易的光學相互作用——半徑顯著小于波長，懸浮在兩個不同的相位中的相干光阱中。每個粒子表現為由總光場驅動的誘導偶極子，總光場是俘獲場和另一個粒子的相干散射光的總和。這兩個場之間的干涉引起粒子之間的相互作用并影響它們的運動。首次探究了光學粒子間力的相關貢獻周期性振蕩。
2、實現了納米級介電物體之間的非互易和超強光誘導偶極-偶極相互作用
通過相對運動擴展光學力來獲得了粒子之間的線性耦合。實現對光學相位差 的精確控制，首次實現了納米級介電物體之間的非互易和超強光誘導偶極-偶極相互作用。
3、構建了相位相干俘獲激光器
利用在空間光調制器（SLM）調控參數，激光通過顯微鏡物鏡聚焦到兩個獨立阱中，實現相位相干俘獲激光器的構建。
技術優勢：
1、首次實現了納米級介電物體之間的非互易和超強光誘導偶極-偶極相互作用，解析了偶極子相互作用力的非互易性
對于粒子位置和激光相位的某些配置，組合光將在一個方向上增加強度，在相反方向上降低甚至抵消，導致從入射激光束散射光的偏轉，入射激光場的動量發生變化，需要兩個納米顆粒通過獲得相反方向的動量來補償。因此，兩粒子系統除了受到彼此作用在粒子上的力之外，還經歷了作用在其質心上的力，這解析了明顯的非互易性。
2、區分了非互易分量在總光學結合力中的貢獻，實現了前所未有的對相互作用的控制程度
作者具有精湛的控制力，可以區分非互易分量在總光學結合力中的貢獻。這種技術能力增強了量子系統之間可以設計的相互作用類型。本工作超越對現象的觀察，對相互作用達到前所未有的控制程度，實現了將知識轉化為操縱懸浮光機械系統的工具，加強對介觀物體動力學的控制有助于探索宏觀量子力學。
3、明確了量子力學的適用范圍
雖然量子力學經常被認為是微觀世界的理論，但量子力學的適用范圍仍然是一個科學爭論的問題。而懸浮動力學領域表明，真空中懸浮的納米顆粒可能是檢驗量子力學適用邊界的合適平臺，在這個邊界處，量子"規則"變得薄弱。
四、技術細節
相位相干俘獲激光器
在空間光調制器（SLM）的一級衍射中產生了相位相干俘獲激光器。激光通過顯微鏡物鏡聚焦到兩個獨立阱中。總捕獲功率在兩個阱之間分配，通過控制變量實現機械頻率的調控。使用SLM控制參數（?），沿y軸設置激光偏振，以最大化沿 x 軸的偶極子輻射，從而最大化相互作用強度。通過向沿X軸放置的兩個電極施加交流電壓來校準它們的絕對電荷，并根據所需的電荷選擇粒子。通過零差檢測從光阱傳輸的光來監測粒子運動。
圖 實驗裝置
耦合率測定
為了獲得不同分量的耦合率g，作者測量特征頻率作為?的函數。將阱分離設置為d0 ~3.15 mm，將光學相位差設置為不同相位，這樣相互作用可以是正的或負的然。所有測量均在~1.5mbar的壓力下進行。因此對于大于?/2?≈1.5 kH 的耦合率，可以觀察到避免的交叉。在本工作對光致偶極-偶極相互作用的研究中，可以忽略其他耦合機制。
圖 避免呼吸模式和COM模式之間的交叉
實現對耦合率的完全控制
相互作用是由捕獲場和散射場之間的干涉引起的，預計耦合率會隨著粒子距離以?周期振蕩，并且由于在d0??處偶極子輻射的遠場性質而衰減為d0-1。測量了2.2到3.7 mm 范圍內的阱分離d0 和相位差的正常模式分裂，證實了理論模型和測量的耦合率的一致性。為了證明耦合率對光學相位差的依賴性，在d0≈3.2 mm的處測量正常模式分裂。由于多種影響，線性相互作用理論模型未能完全預測觀察到的行為。此外，在沒有額外冷卻機制的情況下，粒子能夠探索相互作用哈密頓量中的非線性項，這會影響特征頻率并修改正常模式分裂。在未來的工作中，反饋冷卻可用于將粒子運動約束在線性動力學中。
圖 可控偶極-偶極耦合
偶極-偶極相互作用控制方法
將捕獲激光偏振從y軸旋轉角度?提供了一種控制偶極偶極相互作用的方法，偶極-偶極相互作用的抑制實現了強帶電粒子之間靜電相互作用的探索。作者捕獲具有絕對電荷的粒子，并觀察到由于靜電耦合而避免的交叉，觀察到的靜電耦合與預測一致。
圖 關閉偶極-偶極相互作用以檢測靜電相互作用
五、展望
本工作證明了懸浮在不同光阱中的兩個SiO2納米粒子之間的可控光誘導偶極子相互作用。懸浮固態物體陣列中光學和靜電相互作用的強度和控制水平，結合之前實現的量子態制備，提供了一個可以開辟量子物理學的許多研究途徑的平臺。預計該平臺（可能添加光學腔）可用于具有機械自由度、增強量子傳感、集體效應以及聲子傳輸和熱化的量子模擬。
參考文獻：
JULEN SIMON PEDERNALES. Two nanoparticles dancing as a pair. Science, 2022, 377(6609): 921-922.
DOI: 10.1126/science.add1374.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add1374
JAKOB RIESER, et al. Tunable light-induced dipole-dipole interaction between optically levitated nanoparticles. Science, 377(6609): 987-990.
DOI: 10.1126/science.abp9941
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp9941
