La ciencia ficción está llena de dispositivos imaginativos que permiten que la luz interactúe con fuerza con la materia, desde sables de luz hasta cohetes de accionamiento de fotones. En los últimos años, la ciencia ha comenzado a ponerse al día; algunos resultados sugieren interacciones interesantes entre la luz y el mundo realimporta a escalas atómicas, y los investigadores han producido dispositivos como haces ópticos de tractores, pinzas y haces de vórtice.
Ahora, un equipo en el MIT y en otros lugares ha empujado a través de otro límite en la búsqueda de artilugios tan exóticos, al crear en simulaciones el primer sistema en el que las partículas, que van desde aproximadamente las moléculas hasta las bacterias, pueden ser manipuladas porun haz de luz ordinaria en lugar de las costosas fuentes de luz especializadas requeridas por otros sistemas. Los hallazgos se informan hoy en la revista Avances científicos , por el MIT postdocs Ognjen Ilic PhD '15, Ido Kaminer y Bo Zhen; profesor de física Marin Soljacic; y otros dos.
La mayoría de las investigaciones que intentan manipular la materia con luz, ya sea alejando átomos individuales o partículas pequeñas, atrayéndolas o girándolas, implica el uso de rayos láser sofisticados u otro equipo especializado que limita severamente los tipos de usos de taleslos sistemas se pueden aplicar. "Nuestro enfoque es analizar si podemos obtener todos estos interesantes efectos mecánicos, pero con una luz muy simple", dice Ilic.
El equipo decidió trabajar en la ingeniería de las partículas en sí, en lugar de los haces de luz, para que respondan a la luz ordinaria de formas particulares. Como prueba inicial, los investigadores crearon partículas asimétricas simuladas, llamadas Janus dos caraspartículas, de solo un micrómetro de diámetro, una centésima parte del ancho de un cabello humano. Estas pequeñas esferas estaban compuestas de un núcleo de sílice recubierto en el costado con una fina capa de oro.
Los investigadores encontraron que, cuando se exponen a un haz de luz, la configuración bilateral de estas partículas provoca una interacción que desplaza sus ejes de simetría en relación con la orientación del haz. Al mismo tiempo, esta interacción crea fuerzas que establecenlas partículas giran uniformemente. Múltiples partículas pueden verse afectadas a la vez por el mismo haz. Y la velocidad de giro puede cambiarse simplemente cambiando el color de la luz.
El mismo tipo de sistema, dicen los investigadores, podría aplicarse para producir diferentes tipos de manipulaciones, como mover las posiciones de las partículas. En última instancia, este nuevo principio podría aplicarse a las partículas en movimiento dentro del cuerpo, usando luzpara controlar su posición y actividad, para nuevos tratamientos médicos. También podría encontrar usos en nanomáquinas con base óptica.
Sobre el creciente número de enfoques para controlar las interacciones entre la luz y los objetos materiales, Kaminer dice: "Pienso en esto como una nueva herramienta en el arsenal y muy significativa".
Ilic dice que el estudio "permite dinámicas que pueden no lograrse mediante el enfoque convencional de dar forma al haz de luz", y podría hacer posible una amplia gama de aplicaciones que son difíciles de prever en este punto. Por ejemplo, en muchas posibilidadesLas aplicaciones, como los usos biológicos, las nanopartículas pueden moverse en un entorno increíblemente complejo y cambiante que distorsionaría y dispersaría los haces necesarios para otros tipos de manipulación de partículas, pero estas condiciones no serían importantes para los simples haces de luz necesarios para activar la asimétrica del equipo.partículas
"Debido a que nuestro enfoque no requiere la conformación del campo de luz, un solo haz de luz puede accionar simultáneamente una gran cantidad de partículas", dice Ilic. "Lograr este tipo de comportamiento sería de considerable interés para la comunidad de científicos que estudianmanipulación óptica de nanopartículas y máquinas moleculares ". Kaminer agrega:" Hay una ventaja en el control de grandes cantidades de partículas a la vez. Es una oportunidad única que tenemos aquí ".
Soljacic dice que este trabajo encaja en el área de física topológica, un área de investigación floreciente que también condujo al Premio Nobel de física del año pasado. Sin embargo, la mayoría de este trabajo se ha centrado en condiciones bastante especializadas que pueden existir en ciertos materiales exóticosllamados medios periódicos. "En contraste, nuestro trabajo investiga los fenómenos topológicos en partículas", dice.
Y esto es solo el comienzo, sugiere el equipo. Este conjunto inicial de simulaciones solo abordó los efectos con una partícula de dos lados muy simple. "Creo que lo más emocionante para nosotros", dice Kaminer, "es que hay una enormecampo de oportunidades aquí. Con una partícula tan simple que muestra dinámicas tan complejas ", dice, es difícil imaginar lo que será posible" con una enorme gama de partículas, formas y estructuras que podemos explorar ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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