Quando fai brillare un raggio di luce sulla tua mano, non ti senti molto, tranne per un po' di calore generato dal raggio. Quando fai brillare la stessa luce in un mondo che viene misurato su scala nano o micro, la luce diventa un potente strumento di manipolazione che puoi usare per spostare gli oggetti, intrappolati in modo sicuro nella luce.

Ricercatori del gruppo Luce Strutturata della Scuola di Fisica dell'Università del Witwatersrand a Johannesburg, Sud Africa, hanno trovato un modo per utilizzare il raggio completo di una luce laser, controllare e manipolare oggetti minuscoli come singole cellule in un corpo umano, minuscole particelle nella chimica dei piccoli volumi, o lavorando su futuri dispositivi su chip.

Mentre la tecnica specifica, chiamato intrappolamento ottico olografico e pinzetta, non è nuovo, i ricercatori di Wits hanno trovato un modo per utilizzare in modo ottimale tutta la forza della luce, inclusa la luce vettoriale che in precedenza non era disponibile per questa applicazione. Questo costituisce la prima trappola olografica vettoriale.

"In precedenza le trappole olografiche erano limitate a particolari classi di luce (luce scalare), quindi è molto eccitante poter rivelare un dispositivo olistico che copre tutte le classi di luce, inclusa la replica di tutti i dispositivi di trappola precedenti, "Professore Andrew Forbes, capogruppo della collaborazione e Professore Eminente presso la Scuola di Fisica dove dirige il Laboratorio Luce Strutturata Wits.

"Quello che abbiamo fatto è che abbiamo dimostrato il primo sistema di intrappolamento ottico e tweezing olografico vettoriale. Il dispositivo consente particelle di dimensioni micrometriche, come le cellule biologiche, da catturare e manipolare solo con la luce."

Il dispositivo finale potrebbe intrappolare più particelle contemporaneamente e spostarle solo con stati vettoriali di luce. Gli esperimenti per questo studio sono stati eseguiti da Nkosi Bhebhe come parte dei suoi studi di dottorato. L'opera è pubblicata in Natura il diario online, Rapporti scientifici .

Nei sistemi ottici convenzionali di intrappolamento e pinzetta, la luce è focalizzata molto strettamente in un piccolo volume che contiene piccole particelle, come le cellule biologiche. A questa piccola scala (tipicamente micro o nanometri) le forze che la luce può esercitare sono significative, così le particelle possono essere intrappolate dalla luce e quindi controllate. Mentre la luce si muove, le particelle si muoveranno con esso. Questa idea ha fatto vincere allo scienziato americano Arthur Ashkin il premio Nobel 2018 per la fisica. In origine la luce era controllata meccanicamente con palchi e specchi, ma l'idea è stata successivamente migliorata spostando la luce olograficamente, questo è, utilizzando ologrammi generati dal computer per controllare la luce senza parti in movimento, controllando così le particelle. Finora solo classi speciali di raggi laser, chiamati fasci scalari, potrebbe essere utilizzato in tali trappole olografiche.

Nel loro articolo intitolato "Una trappola ottica olografica vettoriale, " i ricercatori di Wits hanno mostrato come creare e controllare qualsiasi schema di luce olograficamente, e poi lo ha usato per formare un nuovo dispositivo ottico di intrappolamento e pinzetta.

"In particolare il dispositivo potrebbe funzionare sia con i tradizionali fasci laser (raggi scalari) sia con i fasci vettoriali più complessi. I fasci vettoriali sono di grande attualità e hanno trovato molte applicazioni, ma nessuna trappola olografica vettoriale era possibile fino ad ora, "dice Forbes.

I ricercatori di Wits dimostrano la loro nuova trappola controllando olograficamente sia i raggi scalari che quelli vettoriali nello stesso dispositivo, portando avanti lo stato dell'arte e introducendo un nuovo dispositivo per la comunità. Il gruppo si aspetta che il nuovo dispositivo sia utile in esperimenti controllati nei micro e nano mondi, compresi studi unicellulari in biologia e medicina, reazioni chimiche di piccolo volume, fisica fondamentale e per i futuri dispositivi on-chip.

Avendo precedentemente dimostrato che è possibile creare centinaia di modelli di luce personalizzati da un ologramma, la ricerca riunisce il loro precedente lavoro sul controllo olografico della luce con l'applicazione di intrappolamento ottico e tweezing.