革命性的光镊像“牵引光束”一样操纵原子、分子和活细胞。

时间:2019-11-24 03:52 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

革命性的光镊像“牵引光束”一样操纵原子、分子和活细胞。

 

  在二次目标上施加一个定义良好的扭矩的电场强度分布。

  一个小物件的遥控器

  原子、分子甚至活细胞都可以用光束操纵。在维也纳大学,一种彻底改变这种“光镊”的方法被开发出来。

  它们让人想起《星际迷航》中的“牵引光束”:特殊的光束可以用来操纵分子或小的生物粒子。甚至病毒或细胞也能被捕获或移动。然而,这些光镊只能在真空或透明液体中工作。任何干扰环境都会使光波发生偏转,破坏这种效果。这是一个问题,特别是对于生物样本来说,因为它们通常嵌入在非常复杂的环境中。

  但是维也纳大学的科学家们现在已经证明了美德是如何在必要时产生的:他们开发了一种特殊的计算方法来确定在无序环境下操纵小粒子的完美波形。这使得在样品中保持、移动或旋转单个粒子成为可能——即使它们不能被直接接触。特制的光束成为所有小物件的通用遥控器。微波实验已经证明了该方法的有效性。这项新的光镊技术已经发表在《自然光子学》杂志上。

  无序环境下的光镊

  德国维也纳大学理论物理研究所的Stefan Rotter教授解释说:“利用激光束来处理物质已经不再是什么新鲜事了。”1997年,诺贝尔物理学奖被授予通过减慢原子速度来冷却原子的激光束。2018年,另一个诺贝尔物理学奖认可了光镊的发展。

  

革命性的光镊像“牵引光束”一样操纵原子、分子和活细胞。

 

  铝波导与一个二次目标在中间(盖板被删除,没有显示)。目标左边和右边的白色特氟隆元素模拟了一种无序的介质。

  但是光波是敏感的:在一个无序、不规则的环境中,它们可以以一种非常复杂的方式偏转并向各个方向散射。一个简单的、普通的光波就会变成一个复杂的、无序的波型。这完全改变了光与特定粒子相互作用的方式。

  “然而,这种散射效应可以得到补偿,”论文的第一作者迈克尔•霍洛丁斯基(Michael Horodynski)表示。“我们可以计算出波最初是如何被塑造的,这样无序环境的不规则性就能将它准确地转换成我们想要的形状。”在这种情况下,光波一开始看起来相当无序和混乱,但是无序的环境把它变成了有序的东西。无数的小扰动,通常会使实验不可能,被用来产生准确的期望波形,然后作用于一个特定的粒子。

  计算最佳波

  为了达到这个目的,粒子和它的无序的环境首先被各种各样的波和波的反射被测量的方式照亮。这种测量连续进行两次。“让我们假设在两次测量之间的短时间内,无序的环境保持不变,而我们想要操纵的粒子略有变化,”Stefan Rotter说。“让我们想象一个移动的细胞,或者简单地向下一点。然后我们发射进去的光波在两次测量中反射的有一点不同。这种微小的差别是至关重要的:有了维也纳大学开发的新计算方法,就有可能计算出用来放大或减弱这种粒子运动的波。

  

革命性的光镊像“牵引光束”一样操纵原子、分子和活细胞。

 

  安德烈·布兰德斯托、迈克尔·霍洛丁斯基、凯文·皮克勒、斯蒂芬·罗特、马蒂亚斯·库迈耶(左至右)。

  Stefan Rotter说:“如果粒子缓慢下沉,我们可以计算出一种波来阻止这种下沉,或者让粒子下沉得更快。”“如果粒子旋转一点点,我们就知道哪一种波传递了最大的角动量——然后我们就可以用一种特殊形状的光波来旋转粒子,而不需要接触它。”

  成功的微波实验

  凯文•Pichler也研究团队的一员你维恩,能够将计算方法付诸实践实验室的项目合作伙伴大学的好(法国):他使用随机安排聚四氟乙烯对象,他与微波辐照,以这种方式实际上他成功地生成的波形,由于系统的紊乱,产生预期的效果。

  “微波实验表明我们的方法是有效的,”Stefan Rotter报告说。“但真正的目标是将其应用于可见光,而不是微波。这将为光学镊子开辟全新的应用领域,尤其是在生物研究领域,这将使控制小颗粒成为可能,而以前人们认为这是完全不可能的。”

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