Левитация выявила невзаимные взаимодействия в системе из трёх микрочастиц

Физики из США провели эксперименты с акустической левитацией трёх полистироловых сфер диаметром 41 микрометр и подтвердили, что взаимодействия между ними носят невзаимный характер из‑за влияния окружающего воздуха. Использовалась ультразвуковая установка на пьезоэлементе с рупором, резонансная частота — около 35 килогерц. Ход опытов фиксировали камерой на 6000 кадров в секунду. Работа опубликована в Physical Review E.

Частицы сначала выстраивали в равносторонний треугольник, после чего с помощью параметрической накачки создавали несбалансированные силы. Максимальные перемещения возникали при сближении первой и второй сфер; их сталкивали, образуя димер. Этот димер вместе с третьей частицей двигался по траектории в форме «бабочки», что указывало на асимметрию взаимодействий.

Исследователи объяснили наблюдаемую динамику ролью вязкой среды: в новых положениях частиц параметры воздуха, включая локальное давление и плотность, зависят от координат и скоростей, что приводит к многочастичным и невзаимным силам. Для верификации использовали численную модель методом конечных элементов, включив силы от рассеяния звука и акустически индуцированные микропотоки. Модель хорошо совпала с опытом и позволила предсказать другие сценарии, например устойчивое циклическое движение вокруг фиксированного центра масс.

Авторы считают, что продемонстрированный подход расширяет возможности акустической левитации как инструмента для управляемой самоорганизации микрочастиц и исследования нелинейной динамики в изолированных системах. Источник: Physical Review E; Чикагский университет, участие Брейди Ву и коллег.