Cuando haces brillar un rayo de luz en tu mano, no sientes mucho, excepto un poco de calor generado por el rayo. Cuando brillas esa misma luz en un mundo que se mide en el nano o microescala, la luz se convierte en una poderosa herramienta de manipulación que puede usar para mover objetos, atrapados de forma segura en la luz.
Investigadores del grupo de Luz Estructurada de la Facultad de Física de la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo, Sudáfrica, han encontrado una manera de utilizar el haz completo de una luz láser para controlar y manipular objetos diminutos como células individuales enun cuerpo humano, pequeñas partículas en química de pequeño volumen o trabajando en futuros dispositivos en chip
Si bien la técnica específica, llamada captura óptica y pinzas holográficas, no es nueva, los investigadores de Wits encontraron una manera de utilizar de manera óptima toda la fuerza de la luz, incluida la luz vectorial que anteriormente no estaba disponible para esta aplicación. Esta es la primeratrampa holográfica del vector.
"Anteriormente, las trampas holográficas se limitaban a clases particulares de luz luz escalar, por lo que es muy emocionante que podamos revelar un dispositivo holístico que cubra todas las clases de luz, incluida la replicación de todos los dispositivos de captura anteriores", profesor Andrew Forbes, equipolíder de la colaboración y profesor distinguido en la Facultad de Física, donde dirige el Laboratorio de Luz Estructurada de Wits.
"Lo que hemos hecho es que hemos demostrado el primer sistema de atrapamiento y pinzas ópticas holográficas vectoriales. El dispositivo permite capturar y manipular partículas del tamaño de micrómetros, como las células biológicas, solo con luz".
El dispositivo final podría atrapar múltiples partículas a la vez y moverlas solo con estados de luz vectoriales. Los experimentos para este estudio fueron realizados por Nkosi Bhebhe como parte de sus estudios de doctorado. El trabajo se publica en la revista en línea de Nature, Informes científicos .
En los sistemas ópticos de captura y pinzas ópticas, la luz se enfoca muy estrechamente en un pequeño volumen que contiene partículas pequeñas, como células biológicas. A esta pequeña escala típicamente micro o nanómetros, las fuerzas que la luz puede ejercer son significativas,entonces las partículas pueden ser atrapadas por la luz y luego controladas. A medida que la luz se mueve, las partículas se moverán con ella. Esta idea le valió al científico estadounidense Arthur Ashkin el Premio Nobel de Física 2018. Originalmente, la luz se controlaba mecánicamente con escenarios y espejos,pero la idea se mejoró más tarde moviendo la luz holográficamente, es decir, usando hologramas generados por computadora para controlar la luz sin partes móviles, controlando así las partículas. Hasta ahora solo se podían utilizar clases especiales de rayos láser, llamados rayos escalares.utilizado en tales trampas holográficas.
En su artículo titulado: Una trampa óptica holográfica vectorial, los investigadores de Wits mostraron cómo crear y controlar cualquier patrón de luz holográficamente, y luego usaron esto para formar un nuevo dispositivo óptico de captura y pinzas.
"En particular, el dispositivo podría funcionar tanto con los rayos láser tradicionales rayos escalares como con los rayos vectoriales más complejos. Los rayos vectoriales son muy tópicos y han encontrado muchas aplicaciones, pero hasta ahora no era posible una trampa holográfica vectorial", diceForbes.
Los investigadores de Wits demuestran su nueva trampa controlando holográficamente los haces escalares y vectoriales en el mismo dispositivo, avanzando en el estado de la técnica e introduciendo un nuevo dispositivo a la comunidad. El grupo espera que el nuevo dispositivo sea útil enexperimentos controlados en los mundos micro y nano, incluidos los estudios unicelulares en biología y medicina, reacciones químicas de pequeño volumen, física fundamental y para futuros dispositivos en chip.
Tras haber demostrado previamente que es posible crear cientos de patrones de luz personalizados a partir de un holograma, la investigación reúne su trabajo previo sobre el control holográfico de la luz con la aplicación de atrapamiento óptico y pinzas.
Cómo funciona una trampa óptica holográfica
En una trampa óptica convencional, la luz se enfoca muy fuertemente para que pueda ejercer fuerzas sobre la materia. La materia, por ejemplo, una pequeña partícula, queda atrapada en la luz. Cuando la luz es movida por espejos o etapas mecánicas, entonces la partículase mueve con él. Esto se conoce como atrapamiento óptico captura de la partícula y pinzas ópticas, moviendo la partícula como con pinzas, pero en este caso pinzas hechas de luz. Para hacer el control menos mecánico, los investigadores usaron hologramas para controlar elluz. Con los moduladores de luz espacial, uno podría codificar patrones de luz estructurados y mover esos patrones dentro de la trampa, de modo que muchas partículas pudieran quedar atrapadas y moverse simultáneamente. Esto abrió muchos nuevos campos emocionantes, pero las trampas ópticas holográficas finales HOTs fueron limitadassolo a haces de luz escalares, una pequeña fracción de lo que era posible. La otra clase de haces ópticos, estados vectoriales, no se consideraba posible controlar holográficamente. Con el nuevo vector HOT, todas las estadísticasEs de luz ahora se puede utilizar.El tiempo cronometrará lo que esto significa para la comunidad en general.
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Materiales proporcionado por Universidad de Witwatersrand . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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