Is het mogelijk om met behulp van een Gauss-straal nanodeeltjes in een baan onder de lichtdiffractielimiet te brengen? Een recent gezamenlijk onderzoeksproject gerapporteerd in Natuurcommunicatie zegt ja.

Het is algemeen bekend dat licht niet alleen energie bezit, maar ook momentum. Wanneer licht een object bestraalt, momentum wordt overgedragen aan het object, waardoor een lichte druk op het object ontstaat. Op microscopische schaal, microdeeltjes en nanodeeltjes (zoals biocellen en macromoleculen) kunnen worden gemanipuleerd door de lichtkracht. Atomen kunnen worden gekoeld door lichte druk om atoomklokken te krijgen, Bose-Einstein condensatie, enzovoort.

Naast dat het lineaire momentum van licht overdraagbaar is, het impulsmoment van licht kan ook worden overgedragen op een object, waardoor objectrotatie wordt veroorzaakt. Aangezien de conversie van momentum meestal wordt afgeleid van de lineaire interactie tussen licht en objecten, de omloopsnelheid en omloopstraal zijn tot nu toe beperkt tot niet meer dan 100 Hz in water en niet minder dan één micrometer, respectievelijk.

Onlangs, echter, een team onder leiding van Prof. Jiang Yuqiang van het Instituut voor Genetica en Ontwikkelingsbiologie van de Chinese Academie van Wetenschappen, in samenwerking met Prof. Qiu Chengwei van de National University of Singapore, Prof. Yang Yuanjie van de Universiteit van Elektronische Wetenschap en Technologie van China, en Prof. Xiao Liantuan van de Shanxi University, heeft deze grenzen overwonnen.

Gebaseerd op het niet-lineaire optische effect, de onderzoekers hebben een ultrasnelle orbitale rotatiesnelheid bereikt voor nanodeeltjes op de subdiffractieschaal.

De onderzoekers vingen gouden nanodeeltjes op met behulp van een circulair gepolariseerde NIR femtoseconde laserstraal met een Gauss-modus. In het lineaire interactieregime, de opgesloten deeltjes draaien alleen in het midden van de straal. In het niet-lineaire regime, echter, een ringvormige potentiaalput kan worden gevormd door het effect van de 'trap split, ' en de tangentiële optische kracht versterkt door de niet-lineaire polarisatie tussen de femtoseconde laser en gouden nanodeeltjes zorgt ervoor dat de deeltjes met een ultrahoge snelheid in de ringvormige valput cirkelen.

Als resultaat, het spinimpulsmoment van licht wordt omgezet in het orbitale impulsmoment van deeltjes met een superhoge efficiëntie.

In dit werk, de minimale rotatiestraal was ongeveer 70 nm, die ver onder de diffractielimiet ligt. De hoogste omwentelingssnelheid overschreed 1000r/s, een bestelling sneller dan eerder gemelde snelheden.

De studie onthult een nieuw mechanisme voor de conversie van spin-impulsmoment naar orbitaal impulsmoment, en biedt een nieuwe methode van lichtmanipulatie.

Omdat de omloopstraal en de omwentelingssnelheid kunnen worden geregeld door het vermogen van de femtoseconde laser aan te passen, de NA van de objectieflens, en het materiaal van de nanodeeltjes, het kan wijd op diverse gebieden worden toegepast, zoals optische micromachines, nanoreologie, laser microfabricage, enzovoort.