Un fascicul de lumină înaintează împotriva curentului într-un fluid cuantic
Un experiment realizat cu ajutorul unui cristal neliniar a demonstrat că un fascicul îngust de laser se poate deplasa în direcția opusă curgerii unui fluid optic mai larg, comportându-se ca un obiect activ care înaintează împotriva curentului. Rezultatele, publicate în Physical Review A, arată că acest comportament neobișnuit apare datorită interacțiunilor nereciproce, care rup simetria acțiune-reacțiune descrisă de a treia lege a lui Newton.
În mod obișnuit, un obiect aflat într-un fluid care se mișcă este antrenat de curent, exact așa cum o frunză este purtată de apa unui râu. Pentru a înainta în amonte, obiectul trebuie fie să primească o forță externă, fie să consume energie pentru a se deplasa împotriva fluxului. Același principiu se aplică și undelor luminoase sau fotonilor. Până acum, mișcarea în amonte a fost demonstrată experimental doar prin mecanisme care implică desprinderea de vârtejuri, un proces care respectă în continuare a treia lege a lui Newton.
Noul studiu este primul care folosește interacțiuni nereciproce pentru a produce acest efect, încălcând simetria acțiune-reacțiune. În astfel de interacțiuni, un obiect influențează alt obiect diferit față de modul în care este influențat la rândul său, iar interacțiunile interne pot fi convertite în impuls net.
Echipa de fizicieni a combinat analiza teoretică a împrăștierii, simulări pe calculator și experimente de laborator. Cercetătorii au trimis două fascicule laser sincronizate printr-un cristal neliniar, unul reprezentând fluidul și celălalt reprezentând obiectul care înoată. Prin înclinarea fasciculului care formează fluidul, au putut controla direcția și viteza curgerii transversale.
În experimente, fasciculul îngust de laser, care acționa ca înotător, s-a deplasat în direcția opusă curgerii unui fluid optic mai larg. În configurația reciprocă obișnuită, fasciculul se deplasa în aval, oferind o comparație directă.
Autorii studiului notează că înotătorul tinde să remodeleze fluidul, traversându-l asimetric, ceea ce exercită asupra sa o forță opusă direcției de curgere. Acest proces contraintuitiv provine din nereciprocitatea interacțiunilor mutuale, care rezultă într-un recul inversat față de sistemele în echilibru.
Mișcarea în amonte se datorează distribuției asimetrice a fluidului cauzate de înotător, intensitatea fluidului fiind mai mare pe o parte a acestuia decât pe cealaltă. Prin ajustarea vitezelor și densităților fluidului, cercetătorii au descoperit că mișcarea în amonte este cea mai puternică la valori intermediare ale vitezei și densității, nu la cele mai mari sau mai mici valori.
Experimentele au implicat un analog optic al unui fluid cuantic, nu o demonstrație cu fluide cuantice materiale precum atomi ultrafrigi sau heliu lichid. Cu toate acestea, studiul oferă o platformă de testare pentru investigarea comportamentului de tip activ în cadrul interacțiunilor nereciproce.
Cercetările viitoare ar putea verifica dacă efecte similare apar și în alte platforme cuantice, cum ar fi gazele atomice sau materialele cuantice inginerite. Autorii concluzionează că studiul avansează înțelegerea fundamentală a interacțiunilor nereciproce în regim cuantic, oferind perspective esențiale pentru proiectarea de noi dispozitive cuantice cu funcționalități active.
