É possível conduzir nanopartículas para orbitar abaixo do limite de difração de luz usando um feixe gaussiano? Um recente projeto de pesquisa conjunta relatado em Nature Communications diz sim.

É bem sabido que a luz possui não apenas energia, mas também momentum. Quando a luz irradia um objeto, momentum é transferido para o objeto, gerando assim uma leve pressão no objeto. Na escala microscópica, micropartículas e nanopartículas (como biocélulas e macromoléculas) podem ser manipuladas pela força da luz. Os átomos podem ser resfriados por leve pressão para obter relógios atômicos, Condensação de Bose-Einstein, e assim por diante.

Além do momento linear da luz ser transferível, o momento angular da luz também pode ser transferido para um objeto, causando assim a rotação do objeto. Uma vez que a conversão do momento é geralmente derivada da interação linear entre a luz e os objetos, a velocidade de rotação orbital e o raio orbital foram limitados até agora a não mais do que 100 Hz na água e não menos do que um micrômetro, respectivamente.

Recentemente, Contudo, uma equipe liderada pelo Prof. Jiang Yuqiang do Instituto de Genética e Biologia do Desenvolvimento da Academia Chinesa de Ciências, em colaboração com o Prof. Qiu Chengwei da Universidade Nacional de Cingapura, Prof. Yang Yuanjie da Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da China, e o Prof. Xiao Liantuan da Shanxi University, superou esses limites.

Com base no efeito óptico não linear, os pesquisadores alcançaram uma taxa de rotação orbital ultrarrápida para nanopartículas na escala de subdifração.

Os pesquisadores capturaram nanopartículas de ouro usando um feixe de laser de femtossegundo NIR circularmente polarizado com um modo gaussiano. No regime de interação linear, as partículas presas giram apenas no centro do feixe. No regime não linear, Contudo, um poço de potencial anular pode ser formado pelo efeito da 'divisão da armadilha, e a força óptica tangencial aumentada pela polarização não linear entre o laser de femtossegundo e as nanopartículas de ouro faz com que as partículas orbitem a uma velocidade ultra-rápida no poço da armadilha anular.

Como resultado, o momento angular de rotação da luz é convertido no momento angular orbital de partículas com eficiência superelevada.

Nesse trabalho, o raio mínimo de rotação era de cerca de 70 nm, que está muito abaixo do limite de difração. A maior velocidade de rotação orbital excedeu 1000 r / s, um pedido mais rápido do que as velocidades relatadas anteriormente.

O estudo revela um novo mecanismo de conversão do momento angular de rotação em momento angular orbital, e fornece um novo método de manipulação de luz.

Uma vez que o raio orbital e a velocidade de rotação orbital podem ser controlados ajustando a potência do laser de femtossegundo, o NA da lente objetiva, e o material das nanopartículas, pode ser amplamente aplicado em vários campos, como micro-máquinas ópticas, nano-teologia, microfabricação a laser, e assim por diante.