Но ученые из TU Wien (Вена) теперь показали, как добродетель может быть сделана из необходимости: был разработан специальный метод расчета для определения идеальной формы волны для манипулирования мелкими частицами в присутствии неупорядоченной среды. Это позволяет удерживать, перемещать или вращать отдельные частицы внутри образца, даже если к ним нельзя прикоснуться напрямую. Индивидуальный световой луч превращается в универсальный пульт дистанционного управления для всего небольшого. Микроволновые эксперименты уже показали, что метод работает.
Новая технология оптического пинцета представлена в журнале Nature Photonics.
Оптический пинцет в неупорядоченной среде
«В использовании лазерных лучей для манипулирования материей больше нет ничего необычного», – объясняет проф. Стефан Роттер из Института теоретической физики Венского технического университета.
В 1997 г. была присуждена Нобелевская премия по физике за лазерные лучи, охлаждающие атомы путем их замедления. В 2018 году еще одна Нобелевская премия по физике отметила разработку оптических пинцетов.
Но световые волны чувствительны: в неупорядоченной, нерегулярной среде они могут очень сложно отклоняться и рассеиваться во всех направлениях. Затем простая плоская световая волна становится сложной, неупорядоченной волновой картиной. Это полностью меняет способ взаимодействия света с конкретной частицей.
«Однако этот эффект рассеяния можно компенсировать», – говорит Майкл Городинский, первый автор статьи. «Мы можем рассчитать, как волна должна иметь первоначальную форму, чтобы неровности неупорядоченной среды преобразили ее в точную форму, которую мы хотим. В этом случае световая волна сначала выглядит довольно неупорядоченной и хаотичной, но неупорядоченная среда превращает ее в нечто упорядоченное. Бесчисленные небольшие возмущения, которые обычно делают эксперимент невозможным, используются для генерации точно желаемой формы волны, которая затем воздействует на конкретную частицу.
Расчет оптимальной волны
Для этого частица и ее неупорядоченная среда сначала освещаются различными волнами, и измеряется способ отражения волн. Это измерение выполняется дважды в быстрой последовательности. «Предположим, что за короткий промежуток времени между двумя измерениями неупорядоченная среда остается прежней, а частица, которой мы хотим манипулировать, немного изменяется», – говорит Стефан Роттер. "Давайте представим клетку, которая движется или просто немного опускается вниз.
Затем световая волна, которую мы посылаем, отражается немного по-разному в двух измерениях.«Эта крошечная разница имеет решающее значение: с помощью нового метода расчета, разработанного в TU Wien, можно рассчитать волну, которая должна использоваться для усиления или ослабления этого движения частицы.
«Если частица медленно опускается вниз, мы можем рассчитать волну, которая предотвращает это опускание или позволяет частице опускаться еще быстрее», – говорит Стефан Роттер. "Если частица немного вращается, мы знаем, какая волна передает максимальный угловой момент – тогда мы можем вращать частицу с помощью световой волны особой формы, даже не касаясь ее."
Успешные эксперименты с микроволновками
Кевин Пихлер, также входящий в исследовательскую группу TU Wien, смог применить метод расчета на практике в лаборатории партнеров по проекту в Университете Ниццы (Франция): он использовал произвольно расположенные тефлоновые объекты, которые он облучал микроволнами – – и таким образом ему действительно удалось сгенерировать именно те формы волны, которые из-за беспорядка системы давали желаемый эффект.
«Эксперимент с микроволновой печью показывает, что наш метод работает», – сообщает Стефан Роттер. "Но настоящая цель – применить его не с микроволнами, а с видимым светом. Это могло бы открыть совершенно новые области применения оптического пинцета и, особенно в биологических исследованиях, позволило бы контролировать мелкие частицы способом, который ранее считался совершенно невозможным."