Átomos, moléculas ou mesmo células vivas podem ser manipuladas com feixes de luz. Na TU Wien, um método foi desenvolvido para revolucionar essas "pinças ópticas".

Eles são uma reminiscência do "raio trator" em Jornada nas Estrelas :Feixes de luz especiais podem ser usados ​​para manipular moléculas ou pequenas partículas biológicas. Até mesmo vírus ou células podem ser capturados ou movidos. Contudo, essas pinças ópticas só funcionam com objetos no espaço vazio ou em líquidos transparentes. Qualquer ambiente perturbador desviaria as ondas de luz e destruiria o efeito. Isto é um problema, em particular com amostras biológicas porque geralmente estão inseridas em um ambiente muito complexo.

Mas os cientistas da TU Wien (Viena) mostraram agora como a virtude pode ser transformada em necessidade:um método de cálculo especial foi desenvolvido para determinar a forma de onda perfeita para manipular pequenas partículas na presença de um ambiente desordenado. Isso torna possível segurar, mova ou gire partículas individuais dentro de uma amostra - mesmo se não puderem ser tocadas diretamente. O feixe de luz feito sob medida torna-se um controle remoto universal para tudo que é pequeno. Experimentos de microondas já demonstraram que o método funciona. A nova tecnologia de pinça óptica já foi apresentada na revista Nature Photonics .

Pinças ópticas em ambientes desordenados

"Usar feixes de laser para manipular a matéria não é mais incomum, "explica o Prof. Stefan Rotter do Instituto de Física Teórica da TU Wien. Em 1997, o Prêmio Nobel de Física foi concedido por feixes de laser que resfriam átomos reduzindo sua velocidade. Em 2018, outro Prêmio Nobel de Física reconheceu o desenvolvimento de pinças ópticas.

Mas as ondas de luz são sensíveis:de uma forma desordenada, ambiente irregular, eles podem ser desviados de uma maneira altamente complicada e espalhados em todas as direções. Um simples, onda de luz plana então se torna um complexo, padrão de onda desordenada. Isso muda completamente a maneira como a luz interage com uma partícula específica.

"Contudo, este efeito de espalhamento pode ser compensado, "diz Michael Horodynski, primeiro autor do artigo. "Podemos calcular como a onda deve ser moldada inicialmente para que as irregularidades do ambiente desordenado a transformem exatamente na forma que queremos. Neste caso, a onda de luz parece um tanto desordenada e caótica no início, mas o ambiente desordenado o transforma em algo ordenado. Incontáveis ​​pequenos distúrbios, o que normalmente tornaria o experimento impossível, são usados ​​para gerar exatamente a forma de onda desejada, que então atua sobre uma partícula específica.

Calculando a onda ótima

Para alcançar isto, a partícula e seu ambiente desordenado são primeiro iluminados com várias ondas e a maneira como as ondas são refletidas é medida. Esta medição é realizada duas vezes em rápida sucessão. "Vamos supor que no curto espaço de tempo entre as duas medições, o ambiente desordenado continua o mesmo, enquanto a partícula que queremos manipular muda ligeiramente, "diz Stefan Rotter." Vamos pensar em uma célula que se move, ou simplesmente afunda um pouco. Em seguida, a onda de luz que enviamos é refletida de forma um pouco diferente nas duas medições. "Esta pequena diferença é crucial:com o novo método de cálculo desenvolvido na TU Wien, é possível calcular a onda que deve ser usada para amplificar ou atenuar esse movimento da partícula.

"Se a partícula afunda lentamente, podemos calcular uma onda que evita esse afundamento ou permite que a partícula afunde ainda mais rápido, "diz Stefan Rotter." Se a partícula girar um pouco, sabemos qual onda transmite o momento angular máximo - podemos girar a partícula com uma onda de luz de formato especial, sem nunca tocá-la. "

Experimentos bem-sucedidos com microondas

Kevin Pichler, também faz parte da equipe de pesquisa da TU Wien, foi capaz de colocar o método de cálculo em prática no laboratório de parceiros do projeto na Universidade de Nice (França):Ele usou objetos de Teflon dispostos aleatoriamente, que ele irradiou com microondas - e desta forma ele realmente conseguiu gerar exatamente aquelas formas de onda que, devido à desordem do sistema, produziu o efeito desejado.

"O experimento de microondas mostra que nosso método funciona, "relata Stefan Rotter." Mas o verdadeiro objetivo é aplicá-lo não com microondas, mas com luz visível. Isso poderia abrir campos de aplicações completamente novos para pinças ópticas e, especialmente na pesquisa biológica, tornaria possível controlar pequenas partículas de uma forma que antes era considerada completamente impossível. "