Atomen, moleculen of zelfs levende cellen kunnen worden gemanipuleerd met lichtstralen. Aan de TU Wien is een methode ontwikkeld om een ​​revolutie teweeg te brengen in dergelijke "optische pincetten".

Ze doen denken aan de "tractorbalk" in Star Trek :Speciale lichtstralen kunnen worden gebruikt om moleculen of kleine biologische deeltjes te manipuleren. Zelfs virussen of cellen kunnen worden gevangen of verplaatst. Echter, deze optische pincetten werken alleen met objecten in een lege ruimte of in transparante vloeistoffen. Elke storende omgeving zou de lichtgolven afbuigen en het effect vernietigen. Dit is een probleem, in het bijzonder met biologische monsters omdat ze meestal zijn ingebed in een zeer complexe omgeving.

Maar wetenschappers van de TU Wien (Wenen) hebben nu laten zien hoe de deugd van de noodzaak kan worden gemaakt:er is een speciale rekenmethode ontwikkeld om de perfecte golfvorm te bepalen om kleine deeltjes te manipuleren in de aanwezigheid van een ongeordende omgeving. Dit maakt het mogelijk om vast te houden, individuele deeltjes in een monster verplaatsen of roteren, zelfs als ze niet rechtstreeks kunnen worden aangeraakt. De op maat gemaakte lichtstraal wordt een universele afstandsbediening voor alles wat klein is. Microgolfexperimenten hebben al aangetoond dat de methode werkt. De nieuwe optische pincettechnologie is nu gepresenteerd in het tijdschrift Natuurfotonica .

Optisch pincet in ongeordende omgevingen

"Het gebruik van laserstralen om materie te manipuleren is niets ongewoons meer, " legt prof. Stefan Rotter van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de TU Wien uit. In 1997, de Nobelprijs voor de Natuurkunde werd toegekend voor laserstralen die atomen afkoelen door ze te vertragen. in 2018, een andere Nobelprijs voor Natuurkunde erkende de ontwikkeling van optische pincetten.

Maar lichtgolven zijn gevoelig:in een wanordelijke, onregelmatige omgeving, ze kunnen op een zeer gecompliceerde manier worden afgebogen en in alle richtingen worden verspreid. Een eenvoudige, vlakke lichtgolf wordt dan een complexe, verstoord golfpatroon. Dit verandert volledig de manier waarop licht interageert met een specifiek deeltje.

"Echter, dit verstrooiingseffect kan worden gecompenseerd, " zegt Michael Horodynski, eerste auteur van het artikel. "We kunnen berekenen hoe de golf in eerste instantie gevormd moet worden, zodat de onregelmatigheden van de ongeordende omgeving deze precies in de vorm transformeren die we willen dat hij is. In dit geval, de lichtgolf ziet er aanvankelijk nogal ongeordend en chaotisch uit, maar de ongeordende omgeving maakt er iets geordends van. Talloze kleine storingen, wat het experiment normaal gesproken onmogelijk zou maken, worden gebruikt om precies de gewenste golfvorm te genereren, die vervolgens inwerkt op een specifiek deeltje.

De optimale golf berekenen

Om dit te behalen, het deeltje en zijn ongeordende omgeving worden eerst belicht met verschillende golven en de manier waarop de golven worden weerkaatst wordt gemeten. Deze meting wordt twee keer snel achter elkaar uitgevoerd. "Laten we aannemen dat in de korte tijd tussen de twee metingen, de ongeordende omgeving blijft hetzelfde, terwijl het deeltje dat we willen manipuleren enigszins verandert, " zegt Stefan Rotter. "Laten we denken aan een cel die beweegt, of zakt gewoon een beetje naar beneden. Dan wordt de lichtgolf die we insturen, iets anders gereflecteerd in de twee metingen." Dit kleine verschil is cruciaal:met de nieuwe rekenmethode die is ontwikkeld aan de TU Wien, het is mogelijk om de golf te berekenen die moet worden gebruikt om deze deeltjesbeweging te versterken of te verzwakken.

"Als het deeltje langzaam naar beneden zakt, we kunnen een golf berekenen die dit zinken voorkomt of het deeltje nog sneller laat zinken, " zegt Stefan Rotter. "Als het deeltje een beetje draait, we weten welke golf het maximale impulsmoment uitzendt - we kunnen het deeltje vervolgens roteren met een speciaal gevormde lichtgolf zonder het ooit aan te raken."

Succesvolle experimenten met microgolven

Kevin Pichler, ook onderdeel van het onderzoeksteam van de TU Wien, kon de rekenmethode in de praktijk brengen in het lab van projectpartners van de Universiteit van Nice (Frankrijk):Hij gebruikte willekeurig gerangschikte Teflon-objecten, die hij bestraalde met microgolven - en op deze manier slaagde hij er feitelijk in precies die golfvormen te genereren die, door de wanorde van het systeem, het gewenste effect heeft opgeleverd.

"Het microgolfexperiment laat zien dat onze methode werkt, ", meldt Stefan Rotter. "Maar het echte doel is om het niet met microgolven toe te passen, maar met zichtbaar licht. Dit zou volledig nieuwe toepassingsgebieden voor optische pincetten kunnen openen en, vooral in biologisch onderzoek, zou het mogelijk maken om kleine deeltjes te beheersen op een manier die voorheen als volledig onmogelijk werd beschouwd."