La ciencia ficción está llena de dispositivos fantásticos que permiten a la luz interactuar vigorosamente con la materia, desde los sables ligeros hasta los cohetes con fotones. En los últimos años, la ciencia ha comenzado a ponerse al día; Algunos resultados sugieren interesantes interacciones del mundo real entre la luz y la materia en las escalas atómicas, y los investigadores han producido dispositivos tales como vigas de tractores ópticos, pinzas y vigas de vórtice.
Ahora, un equipo en el MIT y en otros lugares ha atravesado otro límite en la búsqueda de tales aparatos exóticos, creando en simulaciones el primer sistema en el que las partículas -de una molécula a una bacteria- pueden ser manipuladas por un haz de objetos ordinarios Luz en lugar de las costosas fuentes de luz especializadas requeridas por otros sistemas. Los hallazgos se informan hoy en la revista Science Advances , por los postdocs del MIT 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 empujando átomos individuales o pequeñas partículas, atrayéndolos o girándolos, implica el uso de sofisticados rayos láser u otro equipo especializado que limite severamente el tipo de usos de tales sistemas. ser aplicado a. "Nuestro enfoque es mirar 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 rayos de luz, para hacer que respondan a la luz ordinaria en formas particulares. Como su prueba inicial, los investigadores crearon partículas simuladas asimétricas, llamadas partículas de Janus (dos caras), sólo un micrómetro de diámetro-un centésimo del ancho de un cabello humano. Estas pequeñas esferas se componían de un núcleo de sílice recubierto en el lado con una delgada capa de oro.
Cuando se exponen a un haz de luz, la configuración de dos caras de estas partículas provoca una interacción que desplaza sus ejes de simetría en relación con la orientación del haz, encontraron los investigadores. Al mismo tiempo, esta interacción crea fuerzas que ponen a las partículas girando uniformemente. Múltiples partículas pueden ser afectadas a la vez por el mismo haz. Y la velocidad de giro se puede cambiar simplemente cambiando el color de la luz.
El mismo tipo de sistema, dicen los investigadores, podría aplicarse a la producción de diferentes tipos de manipulaciones, como mover las posiciones de las partículas. En última instancia, este nuevo principio podría aplicarse a las partículas en movimiento alrededor de un cuerpo, utilizando la luz para controlar su posición y actividad, para nuevos tratamientos médicos. También podría encontrar usos en nanomáquinas de base óptica.
Sobre el creciente número de enfoques para controlar las interacciones entre objetos ligeros y materiales, Kaminer dice: "Pienso en esto como una nueva herramienta en el arsenal, y muy significativa".
Ilic dice que el estudio "permite dinámicas que no pueden lograrse mediante el enfoque convencional de conformar el haz de luz", y podría hacer posible una amplia gama de aplicaciones que son difíciles de prever en este punto. Por ejemplo, en muchas aplicaciones potenciales, tales como usos biológicos, las nanopartículas pueden moverse en un entorno increíblemente complejo y cambiante que distorsionaría y dispersaría las vigas necesarias para otros tipos de manipulación de partículas. Pero estas condiciones no importarían a los simples haces de luz necesarios para activar las partículas asimétricas del equipo.
"Debido a que nuestro enfoque no requiere la configuración del campo de luz, un solo haz de luz puede actuar simultáneamente un gran número de partículas", dice Ilic. "Lograr este tipo de comportamiento sería de considerable interés para la comunidad de científicos que estudian la manipulación óptica de nanopartículas y máquinas moleculares". Kaminer añade: "Hay una ventaja en controlar un gran número de partículas a la vez, es una oportunidad única que tenemos aquí".
Soljacic dice que este trabajo encaja en el campo de la física topológica, un área floreciente de investigación que también llevó al Premio Nobel de física del año pasado. La mayor parte de este trabajo, sin embargo, se ha centrado en condiciones bastante especializadas que pueden existir en ciertos materiales exóticos llamados medios periódicos. "En contraste, nuestro trabajo investiga fenómenos topológicos en partículas", dice.
Y esto es sólo el comienzo, sugiere el equipo. Este conjunto inicial de simulaciones sólo abordó los efectos con una partícula de dos caras muy simple. "Creo que lo más emocionante para nosotros", dice Kaminer, "es que hay un enorme campo de oportunidades aquí, con una partícula tan simple que muestra una dinámica tan compleja", dice, es difícil imaginar lo que será posible "con una enorme Rango de partículas y formas y estructuras que podemos explorar ".
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Más información: Nanomotores ópticos topológicamente habilitados, Science Advances 30 Jun 2017: vol. 3, no. 6, e1602738, DOI: 10.1126 / sciadv.1602738 , http://advances.sciencemag.org/content/3/6/e1602738
