纽约大学 (NYU) 的研究人员设计了一种异步光学驱动微转子系统，可用于研究远离平衡的现象，例如湍流天气和生物系统。这一进步有可能用于在工程系统中复制自然现象。
在气象和生物系统中都存在的涡流中，粒子在其自身旋转产生的流中进行轨道运动，从而产生一系列复杂的相互作用。为了更好地理解这些动力学，研究人员试图在最基本的水平上复制涡流。他们创建了一个使用微型转子和激光束移动微粒的系统。
人工微转子之间的流体动力耦合的直接观察受到所使用的驱动器细节的限制，无论是通过同步（使用外部磁场）还是限制（使用光镊）。纽约大学系统由免镊子光场启用。
研究人员使用准直圆偏振光束设计了无力扭矩场，并开发了一种双折射二氧化硅涂层胶体的合成路线，以利用光子角动量展示数百个微粒的旋转。他们系统地量化了微转子的光学和流体动力学特性。与以前的合成微转子系统不同，粒子在光学扭矩场中异步旋转，同时在平面中自由扩散。
研究人员还发现，旋转的粒子会影响彼此的轨道运动。
对颗粒旋转速率的分析表明，成对的旋转颗粒相互进行平流运动，并且它们的平移和旋转是流体动力学耦合的。这种耦合是几何耦合的，这表明它可能在从生物体到机器人系统的主动系统中具有普遍的应用前景。
例如，研究人员发现他们的系统与其他科学家在“跳舞”藻类（即彼此一致移动的藻类群体）中观察到的动态有相似之处。
“合成粒子的自旋以与藻类中观察到的相同方式往复运动，这与之前使用人造微型转子的研究形成鲜明对比，”当时的博士生、现在特拉维夫大学的研究员马坦·亚·本·锡安说。他说，在微米尺度上，研究人员成功地再现了生命系统中所见的效应。
纽约大学的系统可用于研究具有破缺的时间反转对称性和宇称性的各向同性旋转系综，以便揭示理论上预测的活性物质的新材料特性。这些包括奇粘度和量子霍尔流体。使用非球形颗粒的自由光学转子也可用于研究形态和空间相互作用与流体动力耦合的协同效应。
此外，纽约大学的光学转子系统如果与外部磁场驱动的转子相结合，就可以对反向旋转粒子群进行实验研究。在这些机构中，光学转子独立于磁转子旋转。对反转子集合的实验研究可以扩大对远离平衡物质状态的科学理解。
“总的来说，这些发现表明‘藻类之舞’可以在合成系统中再现，从而更好地建立我们对生命物质的理解，”本锡安说。“生物体是由通过其分子主动泵送能量的材料制成的，这些分子在更大的细胞尺度上产生一系列运动。
“通过从头开始设计细胞规模的机器，我们的工作可以为自然世界的复杂性提供新的见解。”
该研究发表在《自然通讯》上。
