Optické nanomotory: Drobné "motory" jsou poháněny světlem

TOP 5 DALŠÍ OPTICKÉ ILUZE, které vám zamotají hlavu (Smět 2019).

Anonim

Vědecká fantastika je plná fantazijních zařízení, která umožňují světlu se silně ovlivňovat s hmotou, od lehkých šavlí po fotonové rakety. V posledních letech se věda začala vyrovnávat; některé výsledky naznačují zajímavé skutečné interakce světla a hmoty v atomových měřítcích a výzkumníci vytvořili zařízení, jako jsou optické trakční nosníky, pinzety a vírové paprsky.

Nyní tým v MIT a jinde procházel jinou hranicí při hledání takových exotických kontrapcí tím, že v simulacích vytvořil první systém, v němž mohou být částice - od zhruba molekul - až po bakterie - manipulovány běžným paprskem světlo spíše než nákladné specializované světelné zdroje požadované jinými systémy. Zjištění jsou dnes zveřejněny v časopise Science Advances, postdocs MIT Ognjen Ilic PhD '15, Ido Kaminer a Bo Zhen; profesor fyziky Marin Soljacic; a dvě další.

Většina výzkumů, které se pokouší manipulovat hmotu se světlem, ať už tím, že odtáhne jednotlivé atomy nebo malé částice, přitahuje je nebo je otáčí, zahrnuje použití sofistikovaných laserových paprsků nebo jiných specializovaných zařízení, které přísně omezují použití těchto systémů být aplikován na. "Naším přístupem je podívat se na to, zda můžeme získat všechny tyto zajímavé mechanické efekty, ale s velmi jednoduchým světlem, " říká Ilic.

Tým se rozhodl pracovat na samotných technikách částic, spíše než na světelných paprsků, aby je mohli určitým způsobem reagovat na obyčejné světlo. Jako první zkoušku vytvořili výzkumní pracovníci simulované asymetrické částice, nazývané Janus (dvouprvkové) částice, jen o průměru mikrometru - jednu stotinu šířky lidského vlasu. Tyto drobné koule byly složeny z křemičitého jádra potaženého na straně s tenkou vrstvou zlata.

Při vystavení paprsku světla způsobuje dvoustranné uspořádání těchto částic vzájemné ovlivňování, které posunuje jejich osy souměrnosti vzhledem k orientaci paprsku, zjistili výzkumníci. Současně tato interakce vytváří síly, díky nimž se částice rotují rovnoměrně. Vícenásobné částice mohou být okamžitě ovlivněny stejným paprskem. A rychlost odstřeďování může být změněna změnou barvy světla.

Stejný systém, řekli řečtí vědci, by mohl být aplikován na výrobu různých druhů manipulací, jako je posun polohy částic. Tento nový princip může být nakonec aplikován na pohybující se částice uvnitř těla, využívající světlo pro ovládání jejich polohy a činnosti, pro nové lékařské ošetření. To může také najít použití v opticky založené nanomachinery.

V souvislosti s rostoucím počtem přístupů k ovládání interakcí mezi světlymi a hmotnými objekty říká Kaminer: "Myslím na to jako na nový nástroj v arzenálu a velmi důležitý."

Ilic říká, že studie "umožňuje dynamiku, kterou nelze dosáhnout konvenčním přístupem při tvarování světelného paprsku" a mohla by umožnit širokou škálu aplikací, které se v tomto okamžiku těžko předvídat. Například v mnoha potenciálních aplikacích, jako je biologické použití, se mohou nanočástice pohybovat v neuvěřitelně složitém, měnícím se prostředí, které by deformovalo a rozptylovalo nosníky potřebné pro jiné druhy manipulace s částicemi. Ale tyto podmínky by nevadily jednoduchým světelným paprskům potřebným k aktivaci asymetrických částic týmu.

"Protože náš přístup nevyžaduje tvarování světelného pole, může jediný paprsek světla současně ovládat velké množství částic, " říká Ilic. "Dosažení tohoto typu chování by bylo velkým zájmem společenství vědců, kteří studují optickou manipulaci s nanočásticemi a molekulárními stroji." Kaminer dodává: "Je tu výhoda při ovládání velkého množství částic najednou. Je to jedinečná příležitost, kterou zde máme."

Soljacic říká, že tato práce zapadá do oblasti topologické fyziky, rostoucí oblasti výzkumu, která také vedla k loňské Nobelovu ceně ve fyzice. Většina takových prací se však zaměřila na poměrně specializované podmínky, které mohou existovat v určitých exotických materiálech nazývaných periodické média. "Naopak naše práce zkoumá topologické jevy v částicích, " říká.

A to je jen začátek, navrhuje tým. Tato počáteční sada simulací se týkala pouze efektů s velmi jednoduchou dvoustrannou částicí. "Myslím, že pro nás to nejvíce vzrušující je, " říká Kaminer, "je tu obrovská škála příležitostí. S tak jednoduchou částicí, která vykazuje takovou komplexní dynamiku, " říká, je těžké si představit, co bude možné "s obrovským rozsah částic a tvarů a struktur, které můžeme zkoumat. "

menu
menu