A ficção científica está cheia de dispositivos fantasiosos que permitem que a luz interaja fortemente com a matéria, de sabres de luz a foguetes movidos a fótons. Nos últimos anos, a ciência começou a se recuperar; alguns resultados sugerem interações interessantes do mundo real entre a luz e a matéria em escalas atômicas, e pesquisadores produziram dispositivos como feixes ópticos de trator, pinças, e feixes de vórtice.

Agora, uma equipe do MIT e de outros lugares ultrapassou outro limite na busca por tais engenhocas exóticas, criando em simulações o primeiro sistema no qual partículas - variando do tamanho aproximado de moléculas a bactérias - podem ser manipuladas por um feixe de luz comum, em vez de fontes de luz especializadas e caras exigidas por outros sistemas. Os resultados são relatados hoje no jornal Avanços da Ciência , pelo pós-doutorado do MIT Ognjen Ilic PhD '15, Ido Kaminer, e Bo Zhen; professor de física Marin Soljacic; e dois outros.

A maioria das pesquisas que tentam manipular matéria com luz, seja empurrando para longe átomos individuais ou pequenas partículas, atraindo-os, ou girando-os, envolve o uso de sofisticados feixes de laser ou outro equipamento especializado que limita severamente os tipos de uso de tais sistemas. "Nossa abordagem é verificar se podemos obter todos esses efeitos mecânicos interessantes, mas com uma luz muito simples, "Ilic diz.

A equipe decidiu trabalhar na engenharia das próprias partículas, ao invés dos feixes de luz, para fazê-los responder à luz comum de maneiras específicas. Como teste inicial, os pesquisadores criaram partículas assimétricas simuladas, chamadas partículas de Janus (duas faces), apenas um micrômetro de diâmetro - um centésimo da largura de um cabelo humano. Essas minúsculas esferas eram compostas de um núcleo de sílica revestido lateralmente com uma fina camada de ouro.

Quando exposto a um feixe de luz, a configuração bilateral dessas partículas causa uma interação que muda seus eixos de simetria em relação à orientação do feixe, os pesquisadores descobriram. Ao mesmo tempo, essa interação cria forças que fazem as partículas girarem uniformemente. Várias partículas podem ser afetadas ao mesmo tempo pelo mesmo feixe. E a taxa de rotação pode ser alterada apenas mudando a cor da luz.

O mesmo tipo de sistema, Os pesquisadores, dizer, pode ser aplicado para produzir diferentes tipos de manipulações, como mover as posições das partículas. Em última análise, este novo princípio pode ser aplicado para mover partículas dentro de um corpo, usando luz para controlar sua posição e atividade, para novos tratamentos médicos. Ele também pode ser usado em nanomáquinas de base óptica.

Sobre o crescente número de abordagens para controlar as interações entre a luz e os objetos materiais, Kaminer disse, “Eu penso nisso como uma nova ferramenta no arsenal, e um muito significativo. "

Ilic diz que o estudo "permite uma dinâmica que não pode ser alcançada pela abordagem convencional de moldar o feixe de luz, "e poderia tornar possível uma ampla gama de aplicações que são difíceis de prever neste momento. Por exemplo, em muitas aplicações potenciais, como usos biológicos, nanopartículas podem se mover de uma forma incrivelmente complexa, ambiente em mudança que distorceria e espalharia os feixes necessários para outros tipos de manipulação de partículas. Mas essas condições não importariam para os simples feixes de luz necessários para ativar as partículas assimétricas da equipe.

"Porque nossa abordagem não requer a modelagem do campo de luz, um único feixe de luz pode acionar simultaneamente um grande número de partículas, "Ilic diz." Alcançar este tipo de comportamento seria de considerável interesse para a comunidade de cientistas que estudam a manipulação óptica de nanopartículas e máquinas moleculares. "Kaminer acrescenta, "Há uma vantagem em controlar um grande número de partículas de uma só vez. É uma oportunidade única que temos aqui."

Soljacic diz que este trabalho se encaixa na área da física topológica, uma área florescente de pesquisa que também levou ao Prêmio Nobel de Física do ano passado. A maioria desses trabalhos, no entanto, tem se concentrado em condições bastante especializadas que podem existir em certos materiais exóticos chamados de mídia periódica. "Em contraste, nosso trabalho investiga fenômenos topológicos em partículas, " ele diz.

E isso é só o começo, a equipe sugere. Este conjunto inicial de simulações tratou apenas dos efeitos com uma partícula de dois lados muito simples. "Acho que a coisa mais empolgante para nós, "Kaminer disse, "é que existe um campo enorme de oportunidades aqui. Com uma partícula tão simples mostrando uma dinâmica tão complexa, " ele diz, é difícil imaginar o que será possível "com uma enorme gama de partículas, formas e estruturas que podemos explorar".