Sciencefiction zit vol met fantasievolle apparaten die licht krachtig laten interageren met materie, van lichtsabels tot raketten met fotonaandrijving. In recente jaren, de wetenschap begint de achterstand in te halen; sommige resultaten wijzen op interessante interacties in de echte wereld tussen licht en materie op atomaire schaal, en onderzoekers hebben apparaten geproduceerd zoals optische trekstralen, pincet, en wervelstralen.

Nutsvoorzieningen, een team van MIT en elders heeft een andere grens overschreden in de zoektocht naar zulke exotische constructies, door in simulaties het eerste systeem te creëren waarin deeltjes - van ruwweg molecuul- tot bacteriegrootte - kunnen worden gemanipuleerd door een straal gewoon licht in plaats van de dure gespecialiseerde lichtbronnen die andere systemen nodig hebben. De bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , door MIT postdocs Ognjen Ilic PhD '15, Ido Kaminer, en Bo Zhen; hoogleraar natuurkunde Marin Soljacic; en twee anderen.

Het meeste onderzoek dat materie probeert te manipuleren met licht, of het nu gaat om het wegduwen van individuele atomen of kleine deeltjes, hen aantrekken, of ze ronddraaien, omvat het gebruik van geavanceerde laserstralen of andere gespecialiseerde apparatuur die het soort gebruik van dergelijke systemen ernstig beperkt. "Onze benadering is om te kijken of we al deze interessante mechanische effecten kunnen krijgen, maar met heel eenvoudig licht, ' zegt Ilic.

Het team besloot om de deeltjes zelf te ontwikkelen, in plaats van de lichtstralen, om ze op een bepaalde manier op gewoon licht te laten reageren. Als hun eerste test, de onderzoekers creëerden gesimuleerde asymmetrische deeltjes, genaamd Janus (tweezijdige) deeltjes, slechts een micrometer in diameter - een honderdste van de breedte van een mensenhaar. Deze kleine bolletjes waren samengesteld uit een kern van silica die aan de zijkant was bedekt met een dunne laag goud.

Bij blootstelling aan een lichtstraal, de tweezijdige configuratie van deze deeltjes veroorzaakt een interactie die hun symmetrieassen verschuift ten opzichte van de oriëntatie van de bundel, vonden de onderzoekers. Tegelijkertijd, deze interactie creëert krachten die ervoor zorgen dat de deeltjes uniform ronddraaien. Meerdere deeltjes kunnen allemaal tegelijk door dezelfde straal worden beïnvloed. En de draaisnelheid kan worden gewijzigd door alleen de kleur van het licht te veranderen.

Hetzelfde soort systeem, de onderzoekers, zeggen, kan worden toegepast op het produceren van verschillende soorten manipulaties, zoals het verplaatsen van de posities van de deeltjes. uiteindelijk, dit nieuwe principe kan worden toegepast op bewegende deeltjes in een lichaam, licht gebruiken om hun positie en activiteit te controleren, voor nieuwe medische behandelingen. Het kan ook worden gebruikt in optisch gebaseerde nanomachines.

Over het groeiend aantal benaderingen voor het beheersen van interacties tussen licht en materiële objecten, Kaminer zegt, "Ik beschouw dit als een nieuw hulpmiddel in het arsenaal, en een zeer belangrijke."

Ilic zegt dat de studie "dynamiek mogelijk maakt die mogelijk niet wordt bereikt door de conventionele benadering van het vormgeven van de lichtstraal, " en zou een breed scala aan toepassingen mogelijk kunnen maken die op dit moment moeilijk te voorzien zijn. in veel potentiële toepassingen, zoals biologische toepassingen, nanodeeltjes kunnen bewegen in een ongelooflijk complexe, veranderende omgeving die de stralen zou vervormen en verstrooien die nodig zijn voor andere soorten deeltjesmanipulatie. Maar deze omstandigheden zouden niet uitmaken voor de eenvoudige lichtstralen die nodig zijn om de asymmetrische deeltjes van het team te activeren.

"Omdat onze aanpak geen vormgeving van het lichtveld vereist, een enkele lichtstraal kan tegelijkertijd een groot aantal deeltjes aansturen, Ilic zegt. "Het bereiken van dit soort gedrag zou van groot belang zijn voor de gemeenschap van wetenschappers die optische manipulatie van nanodeeltjes en moleculaire machines bestuderen." Kaminer voegt eraan toe:"Het is een voordeel om grote aantallen deeltjes tegelijk te beheersen. Het is een unieke kans die we hier hebben."

Soljacic zegt dat dit werk past in het gebied van de topologische fysica, een ontluikend onderzoeksgebied dat vorig jaar ook leidde tot de Nobelprijs voor natuurkunde. De meeste van dit soort werk, Hoewel, is gericht op tamelijk gespecialiseerde omstandigheden die kunnen voorkomen in bepaalde exotische materialen die periodieke media worden genoemd. "In tegenstelling tot, ons werk onderzoekt topologische fenomenen in deeltjes, " hij zegt.

En dit is nog maar het begin, suggereert het team. Deze eerste reeks simulaties behandelde de effecten alleen met een heel eenvoudig tweezijdig deeltje. "Ik denk dat het meest opwindende voor ons, "Kaminer zegt, "is hier een enorm veld aan kansen. Met zo'n eenvoudig deeltje dat zo'n complexe dynamiek vertoont, " hij zegt, het is moeilijk voor te stellen wat er mogelijk zal zijn "met een enorm scala aan deeltjes en vormen en structuren die we kunnen verkennen."