Dynamique non-hermitienne observée dans des nanoparticules couplées

En utilisant deux nanoparticules de verre piégées optiquement, les chercheurs ont observé une nouvelle dynamique collective non-hermitienne et non-linéaire pilotée par des interactions non réciproques. Cette contribution élargit la lévitation optique traditionnelle avec des réseaux de pinces en incorporant des interactions non conservatrices.

Leurs conclusions, étayées par un modèle analytique développé par des collaborateurs de l’Université d’Ulm et de l’Université de Duisbourg-Essen, ont été publié dans Physique de la nature.

Les forces fondamentales comme la gravité et l’électromagnétisme sont réciproques, ce qui signifie que deux objets s’attirent ou se repoussent. Cependant, pour certaines interactions plus complexes qui se produisent dans la nature, cette symétrie est rompue et une certaine forme de non-réciprocité existe. Par exemple, l’interaction entre un prédateur et une proie est intrinsèquement non réciproque car le prédateur veut attraper (est attiré par) la proie et cette dernière veut s’échapper (est repoussée).

La dynamique non hermitienne décrit des systèmes non réciproques similaires en mécanique quantique en intégrant la dissipation, le gain et les interactions non conservatrices. Ces dynamiques sont observées dans les plateformes photoniques, atomiques, électriques et optomécaniques et offrent un potentiel pour les applications de détection et l’exploration de systèmes quantiques ouverts.

Aujourd’hui, une équipe de l’Université de Vienne a fait les premiers pas concrets dans cette direction en observant la dynamique non linéaire et non hermitienne avec des nanoparticules couplées de manière non réciproque.

Plateau de table et verre

Dirigés par Uroš Delić du Centre de Vienne pour la science et la technologie quantiques (VCQ), les chercheurs ont développé une expérience de table où deux nanoparticules de verre oscillent dans des pinces optiques distinctes, interagissant comme si l’une était un prédateur et l’autre une proie.

Les pinces optiques, une technique mise au point par le lauréat du prix Nobel 2018 Arthur Ashkin, isolent le mouvement des particules de l’environnement et rendent le système hautement ajustable. Des expériences précédentes ont montré que des particules rapprochées dispersent la lumière des pinces les unes vers les autres, ce qui entraîne des interférences créant des forces optiques, qui peuvent être non réciproques.

Dans cette étude, les chercheurs ont ajusté les phases du faisceau laser et la distance entre les particules afin de contrôler les interactions. « Ce qui me plaît le plus dans cette expérience, c’est que nous contrôlons le modèle physique avec un ordinateur, aussi simplement que la programmation d’un jeu vidéo », explique Manuel Reisenbauer, le chercheur titulaire d’un doctorat au sein de l’équipe.

En conséquence, ils ont produit une interférence constructive autour d’une particule et une interférence destructive autour de l’autre. Cela a créé une boucle de rétroaction positive ressemblant à une dynamique de poursuite-fuite. « Un petit déplacement d’une particule force l’autre à se déplacer, ce qui exerce à son tour une force encore plus forte », explique Delić, auteur principal de l’étude.

L’équipe a décrit le mouvement des particules dans leurs pinces respectives sans interaction comme analogue à un balancement. Lorsque des interactions antiréciproques ont été appliquées, les « balancements » ont commencé à se suivre, brisant la symétrie d’inversion de parité-temps. La façon la plus simple de le voir est simplement de regarder le « film » à l’envers : en utilisant l’analogie prédateur-proie, les particules semblent inverser les rôles.

Amplitude amplifiée

La boucle de rétroaction positive de l’interaction anti-réciproque a également amplifié les amplitudes d’oscillation des deux particules. Lorsque l’interaction devenait plus forte que la friction, les particules oscillaient en continu, maintenant une amplitude d’oscillation constante, démontrant une dynamique non linéaire.

« Ce système est particulier car il présente des forces non réciproques et non linéaires, similaires à de nombreux exemples naturels », explique Benjamin Stickler de l’Université d’Ulm, le théoricien principal de l’étude.

« La dynamique a abouti à une phase de cycle limite, où les mouvements des particules ressemblent à des balançoires tournant entièrement autour de la poutre supérieure tout en se suivant les unes les autres. » La solution du cycle limite est un concept général que l’on retrouve dans de nombreuses disciplines, notamment la physique du laser, établissant des analogies entre le mouvement nanomécanique et la dynamique du laser.

« Nous avons été impressionnés par la bonne concordance entre le modèle théorique et les données expérimentales », explique Delić. « Cela suggère que notre système est idéal pour observer des dynamiques collectives non réciproques encore plus riches lors du piégeage de plus grands ensembles de perles. »

Les auteurs pensent que les forces non réciproques auront de nombreuses applications dans la détection de force et de couple. De plus, la combinaison de ces résultats avec des méthodes permettant d’amener le mouvement des billes piégées au régime quantique pourrait ouvrir la voie à de nouvelles recherches sur les systèmes quantiques à quelques corps en interaction non réciproque.