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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

           一、光诱导粒子相互作用

你相信“光可以移动物质”吗？自1619年以来，科学家们一直在考虑这个问题，当时Johannes Kepler提出，因为阳光对彗星施加的力，彗星的尾巴正背离太阳。到1970年代，科学家们已经弄清楚如何使用激光束来推动、拉动和捕获纳米和微米尺度的物体。此外，光还可以引起粒子之间的相互作用，让这些粒子之间“感知”到彼此的存在。

嵌入在波长远大于粒子大小的激光场中的介电纳米粒子在计算中可以被视为点。来自激光的电场会导致纳米粒子中的电荷分布不均匀，可以将其视为与激光场一起振荡的点状电偶极子。如果电场不均匀，偶极子将受到一个力将其推向电场更强烈的地方。因为激光束在其焦点处更强烈，所以纳米粒子被吸引到该点并且可以抵抗重力保持在适当的位置。

           二、关键问题

光学捕获的纳米粒子阵列已成为研究复杂非平衡现象的平台，但在研究过程中仍存在以下问题：

1、如何精确控制粒子之间的相互作用

悬浮在两束激光中的两个纳米粒子在被照射时可以通过电偶极-偶极相互作用导致光学结合力。这种结合力可以是吸引或排斥的，并且大小可以变化。这取决于偶极子的相对方向和相位，以及偶极子之间的距离，所有这些都可以通过调整激光束来控制。但如何精确控制粒子之间的相互作用是要解决的关键问题。

2、迄今为止研究的光学相互作用仅提供有限可调性的保守光学结合力

充分利用光学捕获的纳米粒子阵列来研究复杂的非平衡现象需要超出当前光学结合框架的可控相互作用。

三、新思路

有鉴于此，维也纳大学Uroš Delić等人利用驱动光诱导偶极-偶极相互作用的光场之间的相位相干性来耦合两个纳米粒子，表明通过捕获激光场的某些参数，可以控制两个粒子如何相互作用，从而将捕获激光束转变为用于调整粒子间耦合的控制手柄。此外，作者有效地中断了光学相互作用并观察了带电粒子之间的静电耦合。该研究结果为开发具有可调非互易相互作用的相互作用纳米粒子的完全可编程多体系统提供了一条途径，这有助于探索悬浮纳米粒子阵列中的纠缠和拓扑相，可用于研究先前方法无法实现的多体物理状态探究。

技术方案：

1、显示了两个SiO₂纳米粒子之间完全可调谐和非互易的光学相互作用

作者展示了两个SiO₂纳米粒子之间完全可调谐和非互易的光学相互作用——半径显著小于波长，悬浮在两个不同的相位中的相干光阱中。每个粒子表现为由总光场驱动的诱导偶极子，总光场是俘获场和另一个粒子的相干散射光的总和。这两个场之间的干涉引起粒子之间的相互作用并影响它们的运动。首次探究了光学粒子间力的相关贡献周期性振荡。

2、实现了纳米级介电物体之间的非互易和超强光诱导偶极-偶极相互作用

通过相对运动扩展光学力来获得了粒子之间的线性耦合。实现对光学相位差 的精确控制，首次实现了纳米级介电物体之间的非互易和超强光诱导偶极-偶极相互作用。

3、构建了相位相干俘获激光器

利用在空间光调制器（SLM）调控参数，激光通过显微镜物镜聚焦到两个独立阱中，实现相位相干俘获激光器的构建。

技术优势：

1、首次实现了纳米级介电物体之间的非互易和超强光诱导偶极-偶极相互作用，解析了偶极子相互作用力的非互易性

对于粒子位置和激光相位的某些配置，组合光将在一个方向上增加强度，在相反方向上降低甚至抵消，导致从入射激光束散射光的偏转，入射激光场的动量发生变化，需要两个纳米颗粒通过获得相反方向的动量来补偿。因此，两粒子系统除了受到彼此作用在粒子上的力之外，还经历了作用在其质心上的力，这解析了明显的非互易性。

2、区分了非互易分量在总光学结合力中的贡献，实现了前所未有的对相互作用的控制程度

作者具有精湛的控制力，可以区分非互易分量在总光学结合力中的贡献。这种技术能力增强了量子系统之间可以设计的相互作用类型。本工作超越对现象的观察，对相互作用达到前所未有的控制程度，实现了将知识转化为操纵悬浮光机械系统的工具，加强对介观物体动力学的控制有助于探索宏观量子力学。

3、明确了量子力学的适用范围

虽然量子力学经常被认为是微观世界的理论，但量子力学的适用范围仍然是一个科学争论的问题。而悬浮动力学领域表明，真空中悬浮的纳米颗粒可能是检验量子力学适用边界的合适平台，在这个边界处，量子"规则"变得薄弱。

四、技术细节

相位相干俘获激光器

在空间光调制器（SLM）的一级衍射中产生了相位相干俘获激光器。激光通过显微镜物镜聚焦到两个独立阱中。总捕获功率在两个阱之间分配，通过控制变量实现机械频率的调控。使用SLM控制参数（），沿y轴设置激光偏振，以最大化沿 x 轴的偶极子辐射，从而最大化相互作用强度。通过向沿X轴放置的两个电极施加交流电压来校准它们的绝对电荷，并根据所需的电荷选择粒子。通过零差检测从光阱传输的光来监测粒子运动。

图 实验装置

耦合率测定

为了获得不同分量的耦合率g，作者测量特征频率作为的函数。将阱分离设置为d₀ ~3.15 mm，将光学相位差设置为不同相位，这样相互作用可以是正的或负的然。所有测量均在~1.5mbar的压力下进行。因此对于大于/2≈1.5 kH 的耦合率，可以观察到避免的交叉。在本工作对光致偶极-偶极相互作用的研究中，可以忽略其他耦合机制。

图 避免呼吸模式和COM模式之间的交叉

实现对耦合率的完全控制

相互作用是由捕获场和散射场之间的干涉引起的，预计耦合率会随着粒子距离以周期振荡，并且由于在d₀≫处偶极子辐射的远场性质而衰减为d₀^-1。测量了2.2到3.7 mm 范围内的阱分离d₀ 和相位差的正常模式分裂，证实了理论模型和测量的耦合率的一致性。为了证明耦合率对光学相位差的依赖性，在d₀≈3.2 mm的处测量正常模式分裂。由于多种影响，线性相互作用理论模型未能完全预测观察到的行为。此外，在没有额外冷却机制的情况下，粒子能够探索相互作用哈密顿量中的非线性项，这会影响特征频率并修改正常模式分裂。在未来的工作中，反馈冷却可用于将粒子运动约束在线性动力学中。

图 可控偶极-偶极耦合

偶极-偶极相互作用控制方法

将捕获激光偏振从y轴旋转角度提供了一种控制偶极偶极相互作用的方法，偶极-偶极相互作用的抑制实现了强带电粒子之间静电相互作用的探索。作者捕获具有绝对电荷的粒子，并观察到由于静电耦合而避免的交叉，观察到的静电耦合与预测一致。

图 关闭偶极-偶极相互作用以检测静电相互作用

五、展望

本工作证明了悬浮在不同光阱中的两个SiO₂纳米粒子之间的可控光诱导偶极子相互作用。悬浮固态物体阵列中光学和静电相互作用的强度和控制水平，结合之前实现的量子态制备，提供了一个可以开辟量子物理学的许多研究途径的平台。预计该平台（可能添加光学腔）可用于具有机械自由度、增强量子传感、集体效应以及声子传输和热化的量子模拟。

参考文献：

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