En fjernbetjening til alt det lille

Atomer, molekyler eller endda levende celler kan manipuleres med lysstråler. På TU Wien blev der udviklet en metode til at revolutionere sådanne "optiske pincetter".

De minder om "traktorbjælken" i Star Trek :Særlige lysstråler kan bruges til at manipulere molekyler eller små biologiske partikler. Selv vira eller celler kan fanges eller flyttes. Imidlertid, disse optiske pincetter fungerer kun med objekter i tomt rum eller i gennemsigtige væsker. Ethvert forstyrrende miljø vil aflede lysbølgerne og ødelægge effekten. Dette er et problem, især med biologiske prøver, fordi de normalt er indlejret i et meget komplekst miljø.

Men forskere ved TU Wien (Wien) har nu vist, hvordan dyd kan gøres nødvendig:En særlig beregningsmetode blev udviklet til at bestemme den perfekte bølgeform til at manipulere små partikler i nærvær af et uordentligt miljø. Dette gør det muligt at holde, flytte eller rotere individuelle partikler inde i en prøve - selvom de ikke kan berøres direkte. Den skræddersyede lysstråle bliver en universel fjernbetjening til alt det lille. Mikrobølgeeksperimenter har allerede vist, at metoden virker. Den nye optiske pincetteknologi er nu blevet præsenteret i tidsskriftet Natur fotonik .

Optisk pincet i uordnede miljøer

"Brug af laserstråler til at manipulere stof er ikke noget usædvanligt længere, "forklarer prof. Stefan Rotter fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien. I 1997, Nobelprisen i fysik blev uddelt for laserstråler, der afkøler atomer ved at bremse dem. I 2018, en anden fysik nobelpris anerkendte udviklingen af ​​optisk pincet.

Men lysbølger er følsomme:i en uorden, uregelmæssigt miljø, de kan afbøjes på en meget kompliceret måde og spredes i alle retninger. En enkel, plan lysbølge bliver derefter til et kompleks, uordentligt bølgemønster. Dette ændrer fuldstændigt den måde, lyset interagerer med en bestemt partikel.

"Imidlertid, denne spredningseffekt kan kompenseres, "siger Michael Horodynski, første forfatter til papiret. "Vi kan beregne, hvordan bølgen i første omgang skal formes, så uregelmæssighederne i det uordnede miljø omdanner den præcis til den form, vi ønsker, at den skal have. I dette tilfælde, lysbølgen ser temmelig uordnet og kaotisk ud i starten, men det uordnede miljø gør det til noget ordnet. Utallige små forstyrrelser, som normalt ville gøre forsøget umuligt, bruges til at generere præcis den ønskede bølgeform, som derefter virker på en bestemt partikel.

Beregning af den optimale bølge

For at opnå dette, partiklen og dets uordnede miljø belyses først med forskellige bølger, og måden hvorpå bølgerne reflekteres måles. Denne måling udføres to gange hurtigt efter hinanden. "Lad os antage, at i den korte tid mellem de to målinger, det uordnede miljø forbliver det samme, mens den partikel, vi ønsker at manipulere, ændres lidt, "siger Stefan Rotter." Lad os tænke på en celle, der bevæger sig, eller simpelthen synker lidt nedad. Så reflekteres lysbølgen, vi sender ind, lidt forskelligt i de to målinger. "Denne lille forskel er afgørende:Med den nye beregningsmetode udviklet på TU Wien, det er muligt at beregne den bølge, der skal bruges til at forstærke eller dæmpe denne partikelbevægelse.

"Hvis partiklen langsomt synker nedad, vi kan beregne en bølge, der forhindrer denne synke eller lader partiklen synke endnu hurtigere, "siger Stefan Rotter." Hvis partiklen roterer en lille smule, vi ved, hvilken bølge der overfører det maksimale vinkelmoment - vi kan derefter rotere partiklen med en specielt formet lysbølge uden nogensinde at røre den. "

Vellykkede eksperimenter med mikrobølger

Kevin Pichler, også en del af forskergruppen på TU Wien, var i stand til at omregne metoden i praksis i laboratoriet for projektpartnere ved universitetet i Nice (Frankrig):Han brugte tilfældigt arrangerede teflonobjekter, som han bestrålede med mikrobølger - og på denne måde lykkedes det faktisk at generere præcis de bølgeformer, som, på grund af systemets lidelse, gav den ønskede effekt.

"Mikrobølgeeksperimentet viser, at vores metode virker, "rapporterer Stefan Rotter." Men det virkelige mål er at anvende det ikke med mikrobølger, men med synligt lys. Dette kan åbne helt nye anvendelsesområder for optisk pincet og, især inden for biologisk forskning, ville gøre det muligt at kontrollere små partikler på en måde, der tidligere blev anset for helt umulig. "