Forskere opnår ultrahurtig optisk kredsløb af nanopartikler i subdiffraktionsskala

Er det muligt at drive nanopartikler til at kredse under lysdiffraktionsgrænsen ved hjælp af en Gauss-stråle? Et nyligt fælles forskningsprojekt rapporteret i Naturkommunikation siger ja.

Det er velkendt, at lys besidder ikke kun energi, men også momentum. Når lys bestråler en genstand, momentum overføres til objektet, dermed generere et let tryk på objektet. I mikroskopisk skala, mikropartikler og nanopartikler (såsom bioceller og makromolekyler) kan manipuleres af lyskraften. Atomer kan afkøles ved let tryk for at opnå atomure, Bose-Einstein kondens, og så videre.

Ud over at lysets lineære momentum kan overføres, lysets vinkelmomentum kan også overføres til et objekt, hvilket forårsager objektrotation. Da omdannelsen af ​​momentum normalt stammer fra den lineære interaktion mellem lys og objekter, kredsløbets rotationshastighed og kredsløbsradius har hidtil været begrænset til højst 100 Hz i vand og ikke mindre end én mikrometer, henholdsvis.

For nylig, imidlertid, et hold ledet af prof. Jiang Yuqiang fra Institut for Genetik og Udviklingsbiologi ved det kinesiske videnskabsakademi, i samarbejde med prof. Qiu Chengwei fra National University of Singapore, Prof. Yang Yuanjie fra University of Electronic Science and Technology i Kina, og prof. Xiao Liantuan fra Shanxi University, har overvundet disse grænser.

Baseret på den ikke-lineære optiske effekt, forskerne har opnået en ultrahurtig orbital rotationshastighed for nanopartikler på subdiffraktionsskalaen.

Forskerne fangede guldnanopartikler ved hjælp af en cirkulært polariseret NIR femtosekund laserstråle med en Gaussisk tilstand. I det lineære interaktionsregime, de fangede partikler spinder kun i strålens centrum. I det ikke -lineære regime, imidlertid, en ringformet potentialbrønd kan dannes ved virkningen af ​​fældesplittelsen, ' og den tangentielle optiske kraft forstærket af den ikke-lineære polarisering mellem femtosekundlaseren og guldnanopartiklerne får partiklerne til at kredse med en ultrahurtig hastighed i den ringformede fældebrønd.

Som resultat, lysets spin-vinkelmoment konverteres til partiklers orbitale vinkelmoment med super høj effektivitet.

I dette arbejde, den mindste rotationsradius var omkring 70nm, hvilket er langt under diffraktionsgrænsen. Den højeste omløbshastighed oversteg 1000r/s, en ordre hurtigere end tidligere rapporterede hastigheder.

Undersøgelsen afslører en ny mekanisme for spin vinkelmomentumkonvertering til orbital vinkelmomentum, og giver en ny metode til lysmanipulation.

Da kredsløbsradius og kredsløbsrotationshastighed kan styres ved at justere effekten af ​​femtosekundlaseren, objektivlinsens NA, og nanopartiklernes materiale, det kan anvendes bredt på forskellige områder, såsom optiske mikromaskiner, nanorheologi, laser mikrofabrikation, og så videre.