Fysikere demonstrerer en ny enhed til at manipulere og flytte små objekter med lys

Når du skinner en lysstråle på din hånd, du føler ikke meget, bortset fra en lille smule varme, der genereres af strålen. Når du skinner det samme lys ind i en verden, der måles på nano- eller mikroskala, lyset bliver et kraftfuldt manipuleringsværktøj, som du kan bruge til at flytte objekter rundt - fanget sikkert i lyset.

Forskere fra gruppen Structured Light fra School of Physics ved University of Witwatersrand i Johannesburg, Sydafrika, har fundet en måde at bruge laserstrålens fulde stråle på, at kontrollere og manipulere små objekter, såsom enkeltceller i en menneskekrop, små partikler i kemi med lille volumen, eller arbejder på fremtidige on-chip-enheder.

Mens den specifikke teknik, kaldet holografisk optisk fangst og pincet, er ikke nyt, Wits -forskerne fandt en måde at optimalt udnytte lysets fulde kraft - herunder vektorlys, der tidligere ikke var tilgængeligt for denne applikation. Dette danner den første vektor holografiske fælde.

"Tidligere var holografiske fælder begrænset til bestemte klasser af lys (skalært lys), så det er meget spændende, at vi kan afsløre en holistisk enhed, der dækker alle klasser af lys, herunder replikering af alle tidligere indfangningsanordninger, "Professor Andrew Forbes, teamleder for samarbejdet og fornem professor på Fysikskolen, hvor han leder Wits Structured Light Laboratory.

"Det, vi har gjort, er, at vi har demonstreret det første vektor holografiske optiske fangst- og pincetsystem. Enheden tillader mikrometerstørrelser, såsom biologiske celler, kun at blive fanget og manipuleret med lys. "

Den endelige enhed kunne fange flere partikler på én gang og flytte dem rundt bare med vektortilstande af lys. Eksperimenterne til denne undersøgelse blev udført af Nkosi Bhebhe som en del af hans doktorgradsstudier. Værket er udgivet i Natur online journal, Videnskabelige rapporter .

I konventionelle optiske fangst- og pincetsystemer, lyset fokuseres meget tæt til et lille volumen, der indeholder små partikler, såsom biologiske celler. I denne lille skala (typisk mikro- eller nanometer) er de kræfter, lyset kan udøve, betydelige, så partikler kan fanges af lyset og derefter kontrolleres. Når lyset bevæges, partiklerne vil bevæge sig med det. Denne idé vandt den amerikanske videnskabsmand Arthur Ashkin Nobelprisen i fysik 2018. Oprindeligt blev lyset styret mekanisk med trin og spejle, men ideen blev senere forbedret ved at flytte lyset rundt holografisk, det er, ved hjælp af computergenererede hologrammer til at styre lyset uden bevægelige dele, derved kontrollere partiklerne. Indtil nu kun særlige klasser af laserstråler, kaldet skalarbjælker, kunne bruges i sådanne holografiske fælder.

I deres papir med titlen "En vektor holografisk optisk fælde, "Wits -forskerne viste, hvordan man skaber og kontrollerer ethvert lysmønster holografisk, og derefter brugt dette til at danne en ny optisk fangst- og pincet enhed.

"Især enheden kunne arbejde med både de traditionelle laserstråler (skalarstråler) såvel som mere komplekse vektorstråler. Vektorstråler er meget aktuelle og har fundet mange anvendelser, men ingen vektor holografisk fælde var mulig indtil nu, "siger Forbes.

Wits -forskerne demonstrerer deres nye fælde ved holografisk at kontrollere både skalar- og vektorstråler i den samme enhed, at udvikle den nyeste teknik og introducere en ny enhed til samfundet. Gruppen forventer, at den nye enhed er nyttig i kontrollerede eksperimenter i mikro- og nano-verdener, herunder enkeltcelleundersøgelser i biologi og medicin, kemiske reaktioner i lille volumen, grundlæggende fysik og til fremtidige on-chip-enheder.

Efter tidligere at have vist, at det er muligt at oprette hundredvis af tilpassede lysmønstre fra et hologram, forskningen samler deres tidligere arbejde med holografisk kontrol af lys med anvendelse af optisk fangst og pincet.