Forbedring af manipulation af mikropartikler med lyd

En simpel, men præcis teori om, hvordan lyd interagerer med små partikler, er blevet udviklet af teoretiske fysikere på RIKEN. Dette fremskridt vil bidrage til at forbedre manipulationen af ​​mikropartikler med lyd.

Laserlys er meget brugt til at flytte og rotere små partikler. Denne evne er baseret på viden om de kræfter og drejningsmomenter, som lys genererer på små partikler.

På lignende måde, lydbølger kan bruges til at manipulere små partikler, men indtil nu var der ingen klar og kortfattet generel teori, der beskriver, hvordan uensartede lydbølger genererer kræfter og drejningsmomenter på små partikler.

Nu, ved at overveje analogier med lys, Ivan Toftul, Konstantin Bliokh og Franco Nori fra RIKEN Theoretical Quantum Physics Laboratory og deres medarbejdere har udledt simple analytiske udtryk for kraften og drejningsmomentet, der genereres på en lille sfærisk partikel af et generisk lydbølgefelt med en enkelt frekvens. Disse udtryk afslører den direkte forbindelse mellem spredningskraften og impulstætheden af ​​lydbølgefeltet og også den mellem drejningsmoment og bølgefeltets spin vinkelmomenttæthed.

"Sådanne korrespondancer er nu veletablerede inden for optik, men det var ret vagt i akustikken, og der var ikke noget teoretisk udtryk for drejningsmomentet på en lille partikel i et generisk lydbølgefelt, " forklarer Bliokh. "Så vores mål var at udfylde disse vigtige huller i teorien for samspillet mellem lydbølger og stof."

Holdets analyse afslørede uventede forbindelser mellem lys og lyd. "Lydbølger betragtes normalt som simple skalarbølgefelter, der mangler vektoregenskaber såsom polarisering og spin, men vores resultater viser, at generiske lydbølgefelter faktisk har lige så mange frihedsgrader til mikromanipulationer som optiske felter, " kommenterer Bliokh. "Jeg tror, ​​at denne analogi viser, at akustiske felter kan byde på mange flere muligheder, end man traditionelt betragtede før." holdets teori viser, at en partikel i et akustisk forsvindende felt - det uensartede felt, der genereres nær overflader - oplever kræfter og drejningsmoment, der er meget lig dem i et optisk forsvindende felt.

Dermed, holdets analyse etablerer en en-til-en overensstemmelse mellem de velundersøgte optiske kræfter og drejningsmomenter, der bruges til mikromanipulation, og deres akustiske modstykker. "Dette vil tillade let overførsel af viden og resultater mellem optiske og akustiske systemer, " bemærker Bliokh. "Vi reviderer nu den grundlæggende feltteoretiske tilgang til akustik og undersøger de nyligt afslørede vektoregenskaber af akustiske felter."